Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

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.

В качестве примера можно привести следующий состав стекла этого типа:

22–25 % окиси кремния, 32–38% бората цинка, 12–20% окиси алюминия, 15–30%

окиси цинка. Такое стекло обладает коэффициентом температурного расширения,

равным 38 *10-7/С в диапазоне температур от ) до 200 С. Толщина плёнки

стекла от 1 до 20 мкм. На рисунке 40 показана диаграмма тройной композиции:

окись цинка – окись бора– двуокись кремния.

Состав 9. Составы стёкол этого типа приведены в таблице 26 и включают

тройные композиции: мышьяк–сера–талий и мышьяк–силен–талий .

В качестве добавки к составу As-S-Tl, As-Se-Tl может быть использован

германий, введение которого в определённых пропорциях позволяет изменять

КТР стекла. Кроме того, стекло состава As-Se-Tl-Ge обладает высоким

электрическим сопротивлением и способностью к испарению в вакууме.

Температура размягчения его равна 250–300 С.

Состав 10. Стекло содержит 80,6% окис кремния, 4,15% окис натрия,

2,5% окиси алюминия, 12,6% окиси бора, 0,1 % окиси кальция, 0,05% окис

магния, обладает КТР равный КТР кремния, и высокой адгезионной

способностью. Стекло наносят на поверхность полупроводникового кристалла в

виде суспензии, мелких частичек в жидкости. Для получения суспензии стекло

размельчают до размера 0,1-2 мкм в шаровой мельнице и разводят в метиловом

спирте, ацетоне или воде.

Наиболее благоприятные результаты по однородности защитных плёнок

могут быть получены при использовании в качестве жидкого компонента

жидкости, имеющей диэлектрическую постоянную в интервале от 6 до 12. В

качестве примера можно рекомендовать смесь, состоящую из 10 куб. см

изопропилового спирта, 3 см3 вторичного бутилового спирта, 64 см3

третичного бутилового спирта, 23 см3 бензина, и имеющую диэлектрическую

постоянную равную 10.

Сплавление стеклянных частиц с поверхностью полупроводникового

материала происходит в течение 5-10 минут при температуре на 25-80 С выше

температуры размягчения стекла. После сплавления на поверхности кристалла

образуется однородная, свободная от пор, тонкая стеклянная плёнка.

Порошок стекла С-44-1 применяется для получения защитных

диэлектрических плёнок в производстве гибридных и монолитных интегральных

микросхем методом термического вакуумного напыления с непрерывной подачей

на испаритель. Цвет порошка от серого до темно-серого. Размер частиц от

0,04 до 0,09 мм. Диэлектрическая проницаемость плёнок стекла на частоте 102-

106 Гц равна 5, а тангенс угла диэлектрических потерь на той же частоте –

0,005, электрическая прочность 3*106 В/см, температурный коэффициент

ёмкости в интервале температур от –60 до +125 С на частоте 106 Гц равен

(от 10 до 25)*10-5 1/С.

Порошок боросиликатного стекла B2O3*SiO2 применяется для получения

защитных диэлектрических плёнок в производстве полупроводниковых приборов и

интегральных микросхем методом бункерного вакуумного напыления. Химический

состав порошка 80-85 % окиси кремния и 15-20% окиси бора. Микропримеси не

превышают : алюминия 10-1, висмута 10-2, железа 10-1, марганца 5*10-2 ,

меди 10-1 , никеля 10-2 , магния 5*10-2 , олова 5* 10-2 , свинца 0,05,

серебра 0,01, титана 0,05, хрома 0,1, цинка 0,01%. Плёнки из такого стекла

имеют удельное объёмное сопротивление 1014–1016 Ом*см , дитэлектрическую

проницаемость на частоте 102-108 Гц, равную 4, тангенс угла диэлектрических

потерь на той же частоте, равен (от 2 до 7)*10-4, электрическую прочность

(от2 до 5)* 106 В/см, ткр ёмкости в интервале температур от –60 до + 125

С, равный от 1*10-5 до 3*10-5 1/С. Толщина плёнок от 0,2 до 5 мкм.

Гранулят стекля С48-7 применятся для защиты кремниевых меза-структур.

В состав стекла входит 31% окиси кремния, 10,8% окиси бора, 7,5% окис

алюминия, 6, 1% окиси цинка и 44,7% окиси свинца . Коэффициент линейного

расширения в интервале температур от 20 до 300 С равен 48*10-7 1/С.

Температура размягчения 530 С. Термическая стойкость не ниже 160 С.

удельное объёмное сопротивление при 400 С равно 2,5*1010 Ом*см. Тангенс

угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц и температуре 20 С равен 9*10-

4, а диэлектрическая проницаемость равна 8. Материал представляет собой

куски стекла произвольной формы с размерами не более 5 мм.

Стёкла С52-1 и С52-2 — боросиликатная композиции, обладающие

химической стойкостью. Стекло С52-1 отличается от стекла С52-2 пониженным

содержанием окиси алюминия. Увеличение содержания окиси алюминия несколько

снижает электрическое сопротивление стекла и увеличивает его вязкость при

высоких температурах. Для компенсации этого влияния в состав стекла вводят

окислы бария и лития. Крупные ионы бария уменьшают подвижность щелочных

ионов и этим повышают электрическое сопротивление стекла, а ионы лития

снижают его вязкость при высоких температурах, облегчая процесс

стеклования. Температурный коэффициент стёкол одинаков и равен 52*10-7 1/С.

Температура размягчения соответственно ровна 585 и 580 С, термостойкость –

180 и 190 С, диэлектрическая проницаемость – 6 и 5,8, а тангенс угла

диэлектрических потерь на частоте 1 МГц равен 40 и 45.

Операция нанесения стекла на поверхность полупроводниковых пластин

или кристаллов хорошо вписывается в общий технологический процесс

изготовления приборов групповыми методами, легко поддаются автоматизации и

механизации. Защита полупроводниковых приборов и интегральных схем стеклом

часто проводится комплексным методом, то есть стекло используют в сочетании

с другими защитными покрытиями : плёнками окиси нитрида кремния или окиси

металлов , что позволяет добиться высоких электрических характеристик

приборов.

Защита поверхности p-n-переходов силанированием.

В последнее время широкое применение получил метод силанирования,

позволяющий добиться более надёжной защиты поверхности p-n-переходов и

стабилизации электрических параметров . При силанировании на поверхности р-

п-перехода получают тонкие плёнки , которые обладают высокой влаго- и

газонепроницаемостью, инвертностью к различным химическим реагентам.,

высокой адгезионной способностью. Термостойкостью (до 300 С) – главная

отличительная особенность плёнок. Наиболее перспективными являются диметил-

и триметилземещённый силан. Недостатком метилзамещённых силанов являются

выделение при силанировании хлористого водорода, который взаимодействует с

элементами, образующими р-п-переход, например алюминий. Образующийся

хлористый алюминий очень гидроскопичен и может шунтировать р-п-переход.

При на несении силановых плёнок важными факторами являются

кислотность среды и чистота исходного продукта, от которых зависят

молекулярный вес силана и однородность его химического состава. Существует

ряд способов нанесения силановых плёнок (при условии предварительного

увлажнения поверхности р-п-переходов):

1. погружение в жидкие метилхлорсиланы;

2. погружение в растворы метилхлорсиланов или их смеси;

3. выдержка в парах силанов или их смесей.

Первый способ даёт лучшие результаты, но при его использовании

создаётся высокая концентрация хлористого водорода, который интенсивно

разрушает алюминий. Этот же недостаток неизбежен и при силанировании из

газовой фазы, что отрицательно влияет на сплавные кремневые приборы,

имеющие алюминиевые электроды. Используя способ силанирования р-п-переходов

поргружением в растворы, можно устраивать некоторые недостатки двух других

способов. Этот способ позволяет:

. регулировать концентрацию метилхлорсиланов;

. удалять продукты реакции из сферы реакции, подбирая соответствующий

растворитель;

. улучшать технологичность процесса, поскольку есть возможность вводить

добавки, нейтрализующие соляную кислоту;

. создавать гомогенную среду для поликонденсации плёнки, так как в

растворитель переходят продукты гидролиза.

В качестве растворителей обычно применяют ксилиол, толуол и бензол.

Большое значение при создании силановой плёнки имеет толщина водного

покрытия и стабильность давления паров воды над увлажняемой поверхностью.

Кроме того, не меньшее влияние на толщину плёнки имеет структура

поверхности, её химический состав, степень гидрофильность.

Силанирование не только закрепляет существующую структуру

поверхности, но и в некоторых случаях улучшает электрические параметры

переходов, поскольку при нанесении плёнок устраняются структурные дефекты

поверхности..

Технологический процесс нанесения защитной силановой плёнки состоит в

следующем. После травления в кислотном травителе и промывки в

деонизированной воде кристаллы с р-п-переходами погружают в жидкость

органозамещённого силана на время, в течение которого происходит полное

смачивание поверхности. Обычно используют смесь метилхлорсилана и двух

частей триметилхлорсилана. Реакция этой смеси в влагой, которая имеется на

поверхности кремниевого кристалла, вызывает разложение соляной кислоты и

образование тонкой защитной плёнки.

Разновидностью процесса силанирования является получение защитных

плёнок пиролитическим осаждением органокремниевых соединений. Кристаллы

помещают в молибденовую лодочку, расположенную на нагревателе в кварцевой

реакционной трубе, через которую пропускают гелий, предварительно

насыщенный тетраэтоксимоносиланом. Температура нагревателя поддерживается

равной 800 с. Скорость пропускания газовой смеси над пластинами с р-п-

переходами выбирают от 50 до 60 м/ч. Толщина изолирующей плёнки 25 000 А.

Скорость выращивания плёнок 800 А/мин.

Затем наносят второй слой изоляционной плёнки, пропуская гелий через

сосуд , содержащий жидкий этилтриэтоксисилан. Смесь подают через

реакционную трубу в течение 5 минут при температуре 800 С. Толщина второго

защитного покрытия 2000 А. Скорость выращивания второго слоя выбирают

равной 400 А/мин.

Таким образом, одним из основных преимуществ метода силанирования

перед методом защиты переходов лаками и эмалями является возможность

химического связывания защитной плёнки с поверхностью р-п-перехода. Это

обеспечивает не только надёжную адгезию, но и позволяет устранить некоторые

структурные нарушения поверхности, что способствует заметному улучшению

электрических параметров переходов.

Защита поверхности р-п-переходов окислением.

Окисление считается в настоящее время наиболее перспективным методом

защиты поверхности р-п-переходов. Реальная поверхность германия и кремния

после травления при выдержке на воздухе покрывается плёнкой окисла, однако,

несмотря на то что окислы германия и кремния обладают хорошими

диэлектрическими свойствами и потенциально пригодны для защиты поверхности

переходов, образующаяся плёнка очень чувствительна к окружающей среде и не

может служить пассивирующим покрытием. Для защиты могут быть использованы

только достаточно толстые окисные плёнки, получаемые выращиванием. Задача

получения стабильной плёнки двуокиси германия является достаточно сложной.

Более просто окисные плёнки получают на кремнии.

Известны четыре основных способа выращивания окисных плёнок на

кремниевых пластинах и кристаллах для стабилизации их поверхностных

свойств:

1. термическое выращивание;

2. пиролитическое окосление;

3. химическое окисление;

4. анодное окисление;

Термическое выращивание. Выращивают окиную плёнку на поверхности

кремния чаще всего методом открытой трубы. Тщательно очищенный азот,

увлажнённый водяными парами, прорускают через деионизиванную воду, откуда

он попадает в трубу, где в высокотемпературной зоне печи (1100–1300 С)

находятся пластины кремния. Для создания совершённой плёнки двуокиси

пластины перед окислением механически или химически полируют.

В другом случае окисление ведут в атмосфере ( чаще также в потоке)

чистого кислорода, специально очищенного атмосферного воздуха или водяного

пара. На рис показана зависимость толщины плёнки от h скорости роста

плёнки SiO2 от температуры. Как видно, она имеет экспоненциальный характер.

Рост плёнки двуокиси кремния в различных условиях описывается

выражением:

hm=kt,

где h – толщина плёнки; t – время; k– константа, определяемая давлением и

температурой; m– показатель степени;

Если окисление ведут в чистом кислороде или парах воды, m=2. Плёнка,

выращенная в кислороде, имеет более совершенную структуру.

Часто используют окисление в три стадии: в осушенном, в увлажненном (

для ускорения процесса) и вновь в осушенном кислороде. Однако предельная

толщина термически выращенной окисной плёнки не превышает 1,5 мкм. Более

толстые плёнки имеют трещины. Для практических целей используют плёнки

двуокиси кремния толщиной 0,2–1,2 мкм.

При использовании водяного пара под давлением, скорость выращивания

окисной плёнки возрастает. После травления и промывки кристаллы с р-п-

переходами обрабатывают в течение 15 минут в азотной кислоте при

температуре 100 С и сушат на воздухе. Затем кристаллы окисляют при

температуре 650 С и давлении водяных паров 50 ат в течение 2 часов. В

результате на поверхности пластины образуется защитная окисная плёнка

толщиной 3000 А.

Получать окисную плёнку в среде водяного пара можно при температуре

1200 С в течение 5 часов при атмосферном давлении . После оксидирования

водяной пар заменяют инертным газом, который пропускают через пластины в

течении 1 часа при той же температуре. Плёнку получают толщиной 20 000А.

Пиролитическое окисление. Описанная технология создания защитных

окисных плёнок непригодна для германия, так как плёнка двуокиси германия

нестабильна и не может служить надёжной защитой против диффузии. Уже при

700 С двуокись германия в инертной или восстановительной среде реагирует с

объёмом , образуя летучую моноокись.

Нагрев в окислительной среде при температуре 700 С вызывает

разрушение пленки Ge2O. Для защиты р-п-переходов на германиевых пластинах

выращивают плёнки окиси кремния. Широкое распространение получили

защитные плёнки окиси кремния, выращиваемые на германии методом

термораспада кремнийогранических соединений. Покрытие, образующееся при

пиролитическом разложении органооксисиланов, наносится очень просто,

обладает хорошей механической стойкостью и легко удаляется при травлении в

плавиковой кислоте.

Поток очищенного аргона 1 проходит через печь. Когда температура

поднимается до 700 С аргон пропускают через органооксисилан 2, пары

которого разлагаются в рабочей камере 3, и на пластинах 5 германия

осаждается слой двуокиси кремния. Когда требуемая толщина плёнки

достигнута, вновь пускают чистый аргон и отключают печи. При 200 С пластины

вынимают.

Эту же технология можно использовать для защиты электронно-дырочных

переходов на пластинах арсенида галлия.

Пиролитеческое наращивание плёнки двуокиси кремния вследствии

сравнительно низкой температуры процесса незаменимо в тех случаях, когда

окисления подвергаются структуры с заданным распределением примеси.

Воздействие высокой температуры (в случае термического окисления) вызывает

заметную диффузию примесей и изменение свойств структуры, поэтому

пиролитическую плёнку окиси выращивают в настоящее время и на кремнии.

Иногда делают комбинированное покрытие: на термически выращенный слой окиси

кремния осаждают пиролитический окисел.

Получение защитной пёнки на кристаллах с р-п-переходами заключается

в осаждении слоя SiO2 из паровой фазы. Кристаллы с р-п-переходами нагревают

до температуры 700 с. Через трубу пропускают кислород и тетраоксисилан со

скоростью 0,5 л/мин. Тетраоксисилан подвергают термическому разложению с

образованием плёнки двуокиси кремния на поверхности кристаллов. В течение 8

минут образуется плёнка толщиной 1500 А. Кристалл, покрытые окисной

плёнкой, отжигают в вакууме при температуре 750 С в течение 2 часов. После

этого процесс повторяют. Общая толщина плёнки 7500 А

При другом способе получения оксидной плёнки нагревают

полупроводниковый кристалл в среде, содержащий окислительный газ, два или

более газа, реагирующих друг с другом с образованием кремния. Эта смесь

газов может включать в себя двуокись углерода, двуокись водорода и

тетрахлорид кремния. Температура процесса получения плёнки 1250 С. Общая

скорость течения газовой смеси 1 л/мин. Отношение двуокиси углерода и

тетрахлорида кремния должно быть 0,8Ж0,15. В рабочей камере пара

тетрахълорида кремния и хлористого водорода. Кремний окисляется

двуокисью углерода и осаждается на полупроводниковую пластину. Скорость

осаждения плёнки окиси кремния 0,4 мкм/мин.

Кроме того, защитные окисные плёнки кремния могут быть получены , с

помощью электрического разряда в смеси тетрахлорида кремния и озона.

Тетрахлорид кремния и озон вводят в рабочую камеру в паровой фазе. Под

действием электрического разряда происходит реакция тетрахлорида кремния с

озоном. Процесс может проходить при комнатной температуре. Химическая

реакция идёт по формуле :

Для получения защитной плёнки пластины кремния или германия

помещают в рабочую камеру и пропускают через нее кислород и аргон в

течение 15-30 минут для очистки камеры от воздуха и влаги. Затем через

пластину пропускают аргон, насыщенный SiCl4 со скоростью 0,06 м3/ч и озон

со скоростью 0,02 м3/ч. Процесс проводят в течение от 1 до 5 часов в

зависимости от требуемой толщины плёнки. Скорость нанесения защитной плёнки

5 мкм/ч.

Химическое травление. Представляет интерес процесс создания окисной

плёнки путём обработки поверхности сильными химическими окислителями. В

качестве окислителей для германия и кремния используется смесь азотной и

плавиковой кислоты. Отличие от кислотных травителей состоит в том, что

азотная кислота присутствует в значительном избытке, и процесс окисления

поверхности полупроводника преобладает над процессом удаления окисной

плёнки. Образующуюся плёнка имеет тёмно-синий цвет, большую плотность и

толщину. Однако её стабилизирующие свойства очень чувствительны к режиму

окисления, малейшие отклонения от которого приводят к значительному

ухудшению исходных параметров приборов.

Анодное окисление. Метод анодного окисления позволяет преодолеть

недостатки термического и химического окисления. Анодное окисление является

одной из основных электродных реакций , управляющей процессом растворения

полупроводника. Если в электролите отсутствует реагент, растворяющий

окисную плёнку, её толщина может быть достаточно большой.

Анодное окисление проводят в электролитах типа борной кислоты или

бидистиллированной воды, а также водноперекисных растворах с

комплексообразующими добавками ( лимонной и щавелевой кислотой, их

титановыми или циркониевыми солями) и растворах нитрата натрия, хлорной

кислоты, бихромата аммония.

На рисунке показана схема устройства для анодного окисления кремния

в дистиллированной воде. Сосуд с электролитом разделён на две части

перегородкой с отверстиями 3, в которые вставляются оксидируемые пластины

. помещённые в крепящее приспособление 6. Анодный вывод 2 контактирует с

кристаллом полупроводника таким образом, чтобы обрабатываемый р-п-переход

был смещён в прямом смещении. Тогда на катоде 4 осаждаются протоны и

выделяется водород, а на кристалле полупроводника происходит окисление

поверхности. Рост плёнки двуокиси кремния ускоряется с ростом тока, чему

способствует уменьшение удельного сопротивления воды. Поэтому используют

воду с удельным сопротивлением 200-500 Ом.

Выделяющиеся при образовании окиси кремния газ адсорбируется в виде

небольших пузырьков на поверхности кристалла, что затрудняет равномерный

рост плёнки. Для удаления газовых пузырьков служит сопло 5, через которое

пластины обдуваются азотом или аргоном.

Получение защитной плёнки на поверхности полупроводникового кристалла

анодным окислением может проводиться в электролите, состоящем из борной

кислоты, гликоля и водного раствора аммиака. При прохождении через

полупроводниковый кристалл постоянного тока от 1 до 50 мА в течение 1,5

часа на поверхности кристалла образуется изолирующий слой окиси. После

анодной обработки кристаллы промывают в деионизованной воде и сушат в

потоке горячего воздуха.

Процесс промывки полупроводниковых пластин и кристалов.

Очистка полупроводниковых приборов перед герметизацией.

Полупроводниковые приборы и микросхемы перед сборкой очищают и

защищают от воздействия внешней среды.

Очистка перед сборкой включает обезжиривание, промывку

деионизированной водой в ультразвуковой ванне и сушку на инфракрасной

установке. Финишную очистку перед защитой обычно выполняют этиловым спиртом

в ультразвуковой ванне. Более эффективная очистка включает обезжиривание в

водно–аммиачном растворе поверхностно–активного вещества (30 г/л водного

аммиака, 3 г/л синтанола ДС–10), отмывку проточной деионизированной водой в

ультразвуковой ванне (устройства, имеющие детали из меди или

малоуглеродистой стали, необходимо также обезжиривать в ацетоне) и сушку в

атмосфере азота.

Важнейшей проблемой является надёжная защита готовых изделий от

влаги. Так как молекулы воды очень малы, влага быстро диффундирует через

микропоры и микротрещины защитных покрытий и в результате на поверхности

полупроводниковых кристаллов возникает положительный заряд, который может

изменить поверхностное сопротивление и привести к образованию поверхностных

каналов проводимости. Адсорбированная влага изменяет скорость

поверхностной рекомбинации, а следовательно. И время жизни носителей

заряда. Так как процесс конденсации воды на поверхности полупроводника

обратим, при высокой относительной влажности (более 90%) достаточно даже

небольшого охлаждения (0,5–1 С) для выпадения росы, что заметно изменяет

параметры полупроводниковых приборов.

Вода легко вступает в реакцию со многими загрязнениями,

присутствующие в атмосфере и на поверхности полупроводника. В результате

этих реакций на поверхности полупроводника образуются растворы солей,

кислот, щелочей, которые вызывают нестабильность параметров приборов и

сокращают срок их службы. Кроме того, влага является причиной разрушений

защитных покрытий в процессе термоциклирования (при замерзании объем воды

увеличивается на 8-9%, что создает высокие механические напряжения в

защитном покрытии) и изменении их диэлектрических свойств, что может

вызвать изменение плотности заряда на границе защитное покрытие –

поверхность полупроводника и нестабильную работу проводника.

Особенно велика вероятность проникновения воды через органические

защитные покрытия. Процесс проникновения начинается с набухания покрытия.

При этом в результате тепловых движений образуются зазоры между молекулами

органического материала, в которые и проникает влага. Внедрившись в состав

органического вещества, молекулы воды диффундируют в направлении к

поверхности полупроводника. Набухание защитной оболочки и диффузия влаги

через нее протекают довольно медленно, а после того как влага достигнет

поверхности полупроводника, скорость её проникновения через защитное

покрытие резко возрастает. Это можно объяснить следующим. Под защитной

оболочкой образуется водный раствор солевых загрязнений, всегда имеющихся

на поверхности полупроводника, с высокой концентрацией ионов, а с внешней

её стороны – с низкой концентрацией, что обуславливает осмотический перенос

влаги через защитное покрытие, его отслаивание и вспучивание. Если раствор

и чистый растворитель(или два раствора неодинаковой концентрации) привести

в соприкосновении через полупроницаемую перепонку, можно наблюдать переход

растворителя через нее, вызывающий уменьшение концентрации более крепкого

раствора. Это явление называют осмосом, а перенос растворителя через

перепонку - осмотическим. Осмотический перенос влаги протекает с высокой

скоростью.

Таким образом, все защитные органические материалы(лаки, компаунды,

смолы, фоторезисторы и др.)не обеспечивают абсолютную защиту поверхности

полупроводника от воздействия влаги, а лишь некоторое время сохраняют

влагозащитные свойства. Для увеличения влагостойкости органических защитных

покрытий необходимо тщательно удалять водорастворимые примеси с поверхности

полупроводника и из самого защитного покрытия, придавать поверхности

полупроводника водоотталкивающие свойства (гидрофобизация поверхности),

использовать влагопоглотители.

Основными способами защиты полупроводниковых приборов и микросхем

являются нанесение защитных покрытий на поверхность полупроводниковых

пластин и кристаллов и герметизация приборов и микросхем. В

микроэлектронике широко распространены химические методы формирования

защитных покрытий, герметизация полимерных материалов, а также в корпусах с

применением влагопоглотителей.

Состояние и свойства поверхности полупроводников.

Электрические параметры полупроводников, а также их способность

работать в течение длительного времени во многом зависит от состояния и

степени чистоты поверхности полупроводника, поэтому перед герметизацией

полупроводникового прибора необходимо произвести очистку поверхности

изделия.

Электрические свойства поверхности полупроводника отличаются от

электрических свойств его объёма, так как поверхностные атомы имеют

свободные валентные связи, образующиеся в результате разрыва

кристаллической решётки. Состояние поверхности полупроводника зависит от

механических, физических и химических методов обработки, а так же от

условий окружающей среды.

При механической и физической обработке образуется слой с нарушенной

кристаллической решёткой и поверхность становится шероховатой,

загрязняется , а при химической она покрывается оксидной плёнкой , толщина

которой зависит от применяемых реактивов и режимов обработки, и

загрязняется присутствующими в реактивах примесями. Под воздействием

окружающей среды электрические свойства незащищённой поверхности

полупроводника изменяются, увеличивается толщина оксидных плёнок и она

дополнительно загрязняется. Загрязнения, попадающие на поверхность

полупроводника из окружающей среды. А также при взаимодействии с

технологическими средами и химическими реактивами, ухудшают и вызывают

дрейф характеристик полупроводниковых приборов. Особенно опасны

загрязнения поверхности интегральных схем, на единице площади которых

расположено большое количество полупроводниковых элементов. Так,

загрязнение даже одного микроучастка может вывести из строя всю

микросхему.

Очистка поверхности полупроводника и её защита от внешних атмосферных

воздействий являются сложными технологическими процессами.

Различают загрязненную, чистую и атомарно чистую поверхности.

Загрязнённая поверхность требует очистки. Чистой считается поверхность, на

которой остаются допустимое количество загрязненний, а атомарно-чистой – на

которой отсутствуют какие–либо посторонние вещества. Предъявляемые на

различных этапах изготовления полупроводниковых приборов и микросхем

требования к чистоте поверхности неодинаковы. Поверхность, чистая для

одной операции, может оказаться недопустимо грязной для другой.

Источниками загрязнения поверхности полупроводниковых пластин ,

кристаллов являются: абразивные, смазочные и клеящие материалы,

используемые при механической обработке; пыль, водяные пары, пары масел,

попадающие из атмосферы производственных помещений; технологические среды

(газы, вода, химические реактивы), в которых обрабатываются

полупроводники, а также инструмент, оснастки, тара для переноса и хранения,

с которыми они соприкасаются ; материалы покрытий для защиты герметизации

полупроводниковых приборов. Продукты дыхания, отпечатки пальцев, кремы,

пудры, аэрозоли также загрязняют поверхность. Поверхностные загрязнения

можно разделить на молекулярные, ионные и атомарные.

К молекулярным относятся органические (натуральные и синтетические

воски, смолы, масла, жир, остатки фоторезистов, растворителей и др.) и

механические (пыль, абразивные частицы, ворсинки, частицы металлов,

полупроводников, кварца и других технологических материалов) загрязнения,

плёнки химических соединений (оксидов, сульфидов, нитридов и др.),

образующиеся при химической и термической обработке полупроводниковых

пластин и их хранении, а также газы и пары.

Молекулярные загрязнения закрепляются на поверхности полупроводника

статически. Исключение составляют плёнки химических соединений, имеющие

прочную химическую связь с поверхностью полупроводника. Молекулярные

загрязнения вызывают брак. Так при выращивании эпитаксиальных слоёв из-за

микроскопических молекулярных загрязнений образуются дефекты

кристаллической решётки. Остатки молекулярных загрязнений снижают качество

фотолитографической обработки и вызывают быстрый износ фотошаблонов.

Нерастворимые в воде органические загрязнения делают поверхность

гидрофобной, что препятствует её очистки от ионных и атомарных примесей,

поэтому их удаление должно быть первым этапом очистки.

К ионным загрязнениям относятся растворимые в воде соли, кислоты и

основания, которые осаждаются на поверхности пластин из травильных и

моющих растворов. Особое вредное воздействие оказывают ионы щелочных

металлов, которые при повышении температуры или под воздействием

электрического поля могут перемещаться по поверхности, что при водит к

изменениям электрических характеристик полупроводниковых приборов и в

некоторых случаях к выходу их из строя. Ионные загрязнения адсорбируются на

поверхности , образуя с ней физическую и химическую связь.

К атомарным загрязнениям относят атомы тяжёлых металлов (золота,

серебра, меди, железа), осаждающиеся на поверхность полупроводников в виде

металлических микрозародыщей из химических реактивов. Атомарные загрязнения

влияют на время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике,

поверхностную проводимость и другие электрофизические параметры

полупроводниковых материалов.

Методы очистки поверхности полупроводника.

Удаление загрязнений с поверхности твёрдого тела физическими (механическим

сдиранием, смывание потоком жидкости или газа, бомбардировкой электронными

или ионными пучками, обработкой в плазме, испарением при высоких

температурах в вакууме) и химическими методами (растворением,

эмульгированием, с помощью химических реакций) методами называют очисткой.

Чтобы выбрать метод очистки, необходимо знать, какие загрязнения имеются на

поверхности и какое влияние они оказывают на работу полупроводниковых

приборов, как их можно удалить, а так же методы контроля чистоты. Вид и

степень загрязнения поверхности определяются технологическим операциями,

предшествующими очистке, а требования к чистоте поверхности – операциями,

выполненными вслед за ней. Обычно на поверхности полупроводниковых пластин

имеются молекулярные, ионные и атомарные загрязнения. Как уже отмечалось

при очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические

загрязнения и их химически связанные с поверхностью плёнки, а затем –

оставшиеся ионные и атомарные.

Поверхностные загрязнения удалят: механическим «сдиранием» щётками,

кистями, газовыми пузырьками; смыванием потоком жидкости или газа; полным

или частичным растворением; перевод посторонних примесей в состояние

растворимых соединений с помощью химических реакций; солюбилизацией;

смещением частиц примесей при адсорбировании поверхностно-активного

вещества; размельчением твёрдых примесей в эмульгированием жиров; омылением

масел и ирных кислот. Эффективность удаления поверхностных загрязнений

повышается, если различные методы очистки применяются совместно. Особенно

часто используют механическую очистку в сочетании со смыванием или

растворением.

Удаление загрязнений с поверхности твёрдого тела жидкими моющими средствами

и также сопутствующие этому процессы называют отмывкой. В качестве моющих

средств используют растворители , поверхностно-активные вещества, щелочные

и кислотные растворы, а также имульсии. Чтобы удаляемое загрязнение

повторно не осаждалось на очищенную поверхность, их следует непрерывно

удалять из моющего раствора, связывать в устойчивые комплексы или

переводить в эмульсии.

Химическая и электролитическая отмывка полупроводников.

Операции отмывки поверхности предшествуют всем операциям

технологического цикла изготовления полупроводниковых приборов и микросхем.

Отмывку полупроводниковых пластин и кристаллов выполняют в растворителях,

кислотах и щелочах, водой. С помощью ультразвука, в водных растворах

поверхностно-активных веществ, а также электролитической и иодидной

обработкой.

Отмывка в растворятелях. Отмывку в растворителях применяют для

удаления с поверхности полупроводников жиров растительного и животного

происхождения, а также минеральных масел, смазок, воска, парафина и других

органических загрязнений перед всеми технологическими процессами

химической и термической обработки, а также если вода не может быть

использована и когда необходимо получить гидрофобную поверхность.

Растворители позволяют быстро и эффективно удалять загрязнения с

поверхности полупроводника, в том числе имеющие высокую температуру

плавления (например, воск, парафин), при сравнительно низких температурах

и легко испаряются с поверхностей. Однако они плохо удаляют органические

загрязнения , молекулы которые имеют полярные группы, так как молекулы

многих органических растворителей неполярны (электронейтрально) и в них

хорошо растворяются только неполярные вещества. Кроме того, после испарения

растворителя, как правило, остаются нежелательные следы загрзнений.

Растворители сравнительно дороги, многие из них токсичны и легко

воспламеняемы, что требует применения сложного оборудования.

Растворители должны быть достаточно чистыми, так как наличие в них

даже незначительных количеств загрязнений не позволяет обеспечить высокое

качество отмывки. Поэтому предварительно растворители очищают перегонкой.

Трихлорэтилен и фреон перегоняют в дистилляторе, являющемся частью

установки обезжиривания. Некоторые растворители, например метиловый спирт,

очищают с помощью ионообменных смол, а затем перегонкой.

Применяют следующие методы отмывки в растворителях: погружением , в

парах, а также с помощью ультразвука и струйный.

Отмывка погружением. При этом способе используют горячие и кипящие

растворители. Полупроводниковые пластины, кристаллы и различные подложки

отмывают в хлорогранических растворителях. Обработку в горячем

трихлорэтилене выполняют на герметической установке с паровым подогревом,

имеющей три ванны из нержавеющей стали, сваренные в единый блок. Высота

перегородок увеличивается от первой ванны ко 2, поэтому чистый растворитель

не смешивается с загразненвмым. Чтобы обеспечить безопасные условия

работы, токсичные пары растворителей удаляют с помощью бортовых отсосов.

Для повышения эффективности очистки используют эмульгирующие

растворители, которые берут в чистом виде , а также в смеси с другими

растворителями и поверхностно-активными веществами. Перемешивание

растворителя повышает интенсивность очистки. Эмульгирующие растворители в

виде концентрата растворяют в воде в соотношении 1:3 . Такие водные смеси

можно использовать при комнатной температуре и в нагретом состоянии

(температура смеси должна быть на 10–15 С м меньше температуры

воспламенения растворителя).

Очистка в эмульсиях происходит в первую очередь на границе фаз

вода–растворитель, где сосредоточено почти все количество

поверхностно–активных веществ, молекулы которых адсорбируются частицами

удаляемых водонерастворимых загрязений; тем самым препятствуют повторному

осаждения загрязнений на поверхность полупроводника и обеспечивают

длительную способность эмульсии к очистке.

Очистка в парах растворителя. При этом методе обрабатываемые образцы

помещают в рабочую камеру, куда из перегонного куба поступают пары кипящего

растворителя. Пары растворителя конденсируются на поверхности образцов и

загрязнения уносятся с нее вместе с каплями конденсата. При этом образцы

непрерывно омываются свежими порциями чистого конденсата, нагреваются до

температуры кипения растворителя и быстро сохнут при удалении из камеры.

Таким образом, удаётся избежать загрязнения поверхности в результате

испарения растворителя.

Как правило очистку производят в парах изопропилового спирта, фреона

или хлорированных углеводородов. Эти растворители дают слабо рассеивающие

воздушными потоками плотные пары, процесс конденсации которых происходит

Страницы: 1, 2, 3, 4