Файл: Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

§ 20. Защита силанированием

Метод силанирования служит для защиты кремниевых при­ боров. Обработка силаном оказывает благоприятное действие и на защиту германиевых приборов, но эти методы пока не нашли распространения (недостаточно изучены и разработаны). Су­ ществуют два метода получения силановых пленок: 1) в процес­ се химического взаимодействия раствора кремнийорганического мономера с водой; 2) из кремнийорганнческих мономеров, полимеризующихся на поверхности полупроводников под действием тлеющего разряда.

Сущность первого метода состоит в том, что кремнийорганическая защитная пленка получается непосредственно на увлаж­ ненной поверхности кремния в результате реакции гидролиза органо-силановых соединений и последующей полимеризации образующихся силанов — водородных соединений кремния. При­ мером может быть диметилдихлорснлан, который гидролизует­ ся в нестабильный диметилдигидросилан, переходящий путем внутримолекулярной дегидратации в силаксаиовый полимер:

(CH8),SiCl, + 2НоО -> (CHs),Si (ОН), + 2НС1

Получаемая защитная пленка очень тонка — 0,08 мкм\ она химически связывается с поверхностными соединениями крем­ ния, что позволяет получить высокую адгезию пленки к кремнию и устранить некоторые структурные нарушения поверхности. Полностью отвержденный слой микромолекул можно удалить только сильными химическими агентами, например, плавиковой кислотой или спиртовым раствором едкого калия.

Наиболее перспективными для защиты структур являются диметил и триметил — замещенные силаны.

В промышленности процесс силанирования осуществляется кремнийорганическими мономерами: диметилдихлорсиланом, диметилдиацетоксисиланом и др. Защите силанированием подвер­ гают как отдельные структуры с электронно-дырочными перехо­ дами, так и структуры в составе собранной арматуры.

Получаемая в результате силанирования защитная пленка гидрофобна, хорошо защищает р-п-переход от воздействия воды, обладает высокой газонепроницаемостью и инертностью к раз­ личным химическим реагентам.

Метод силанирования имеет некоторые недостатки: получаю­ щиеся соединения состоят из молекул разных размеров; возмож­ но укрупнение молекул и в процессе полимеризации, что приво­ дит к некоторой неоднородности пленок и может изменять их защитные свойства; при обработке кристаллов методом силани­ рования защитная пленка покрывает весь кристалл, т. е. не

<82

только поверхности с р-я-переходом, но и омический контакт, что может являться причиной ухудшения качества пайки и сварки на последующих операциях. Кремнийорганический мономер •— диметилдихлорсилан применим только для силанирования не­ посредственно кристаллов или арматур с деталями, покрытыми золотом, если же детали не покрыты золотом, то при гидролизе выделяется соляная кислота, которая взаимодействует с мате­ риалами держателей, компенсаторов и выводов.

Получить защитные силановые пленки данным методом мож­ но либо погружением структур в раствор силанов или их смесей, либо путем выдержки предварительно увлажненных структур в парах смеси силанов. Наибольшее распространение получил способ силанирования погружением структур в растворы. В ка­ честве растворителей применяют серный эфир, ксилол, бензол и толуол.

Процесс силанирования рассмотрим на примере обработки арматуры (см. рис. 53) в растворе диметилдихлорисилана в то­ луоле. Раствор приготовляют в кварцевом стакане в соотноше­ нии: одна часть диметилдихлорсилана и девять частей толуола. Срок хранения приготовленного раствора не более 10 мин, так как раствор теряет свои свойства в связи с тем, что толуол — ле­ тучий растворитель, и в результате этого будут меняться состав раствора и его свойства. Температура раствора должна быть

не более 20—22° С.

Арматуру с меза-эпитаксиальной структурой, окончательно протравленную и промытую в деионизованной воде в специаль­ ной фторопластовой кассете, в которой она проходит травление, укрепляют на диске центрифуги и удаляют избытки влаги с кас­ сеты и структуры центрифугированием. Кассету с арматурой пос­ ле центрифугирования помещают в кварцевый стакан с раство­ ром диметилдихлорсилана так, чтобы они были полностью по­ крыты раствором. Арматуру выдерживают в растворе в течение нескольких минут, а затем раствор сливают и в стакан залива­ ют деионизованную воду. Через 15—20 мин воду сливают, арма­ туру перекладывают в кварцевые лодочки и помещают в вакуум­ ный сушильный шкаф, предварительно нагретый до 180—200° С. В вакуумном шкафу при давлении не более 10-1 мм. рт. ст. ее выдерживают в течение 2—3 ч, затем вынимают и помещают в специальную тару. Для оценки качества проведенной операции кристаллы и арматуру подвергают выборочной проверке от пар­ тии по основным электрическим параметрам.

В промышленности разработано несколько типов установок для выполнения процессов нанесения защитных силановых пле­ нок, одна из них представлена на рис. 58. На установке имеются две ванны травления 4, четыре ванны финишной промывки 3, центрифуга 1 и ванна силанирования 2. На этой установке осуществляется целый комплекс операций по подготовке поверхно­ сти к защите структур с переходами: травление, гашение реак­ ции холодной деионизованной водой, промывка горячей деиони-

83

зоваиноп водой, финишная промывка, осушка центрифугирова­ нием, силанирование. Обрабатываемые детали в кассетах или контейнерах помещают в тару-спутник, в которой они проходят весь цикл обработки, причем полностью исключено соприкосно­ вение детален с окружающей атмосферой. Реагенты подаются автоматически. С помощью реле времени задается определенный цикл травления и промывок.

Силановые пленки, получающиеся под действием тлеющего разряда (второй метод), имеют хорошую адгезию к ловерхно-

Рис. 58. Установка енланировапня:

/ — центрифуга, 2 — ванна енланнровання, 3 — ванны финишной промывки, •/ — ванны

линейно в зависимости от времени протекания реакции в камере.

§ 21. Защита стеклом

Кроме перечисленных выше методов защиты полупроводнико­ вых структур, применяют также защиту стеклом. Стекла могут использоваться как легкоплавкие (бескислородные халькогенид­ ные), так и тугоплавкие (в основном боросиликатные). Слой за­ щитного стекла можно наносить как на чистую полупроводнико­

84

вую поверхность с ц-п-переходом, так и на слон окисла или пас­ сированную поверхность.

Процесс нанесения стекла на поверхность структур с элек­ тронно-дырочными переходами может быть различным и опре­ деляется типами наносимых стекол. Тугоплавкие стекла наносят в виде пластинок, бусинок, порошков, растворов с последующим оплавлением, легкоплавкие — методом погружения в расплав или вакуумным термическим испарением.

При выборе стекла в качестве защитного покрытия, во-пер­ вых, исходят из того, чтобы температурные режимы нанесения стекла не сказывались на полупроводниковых структурах (на­ пример, при высоких температурах может происходить дополни­ тельная диффузия, ухудшающая резкость р-и-перехода, может уменьшаться время жизни неосновных носителей и т. д.). Вто­ рым важным фактором при выборе стекла является коэффициент линейного расширения, который не должен заметно отличаться от коэффициента линейного расширения полупроводникового материала (для кремния он должен быть не более 80—85-10-7

град~1) .

Стеклянное покрытие должно обладать достаточной химичес­ кой устойчивостью к парам воды и не должно иметь реакционной способности (реакций между стеклянными покрытиями и мате­ риалами выводов омических контактов).

Если стеклянное покрытие наносят на планарную структуру, предварительно защищенную окисной пленкой, то необходимо и его стабилизирующее действие.

Халькогенидные бескислородные стекла по сравнению с бороспликатными имеют то преимущество, что они обладают оп­ ределенным геттерирующим свойством, т. е. способны притяги­ вать (поглощать) вредные примеси на поверхности полупровод­ ников. Кроме этого их можно наносить при довольно низких температурах. Существенным недостатком этих стекол следует считать большую разницу в коэффициентах линейного расшире­ ния по отношению к полупроводниковым материалам, что может приводить к возникновению механических напряжений и малой ■стойкости покрытия при циклических изменениях температуры. В отечественной промышленности из халькогенидных стекол наи­ большее распространение получило стекло ХГ-32 (As—Ge—Se) с коэффициентом линейного расширения 1,5-ІО-7 град~1. Основ­ ным методом нанесения халькогенидных стекол на р-/г-переход является метод вакуумного напыления.

Рассмотрим технологический процесс на примере нанесения ■стекла на кремниевую пластину с меза-структурами (рис. 59), имеющими диффузионный р-/г-переход. Перед нанесением защит­ ной пленки пластины с переходом освежают в травителях спе­ циального состава и тщательно промывают высокоомной водой. Промытые таким образом пластины помещают в вакуумную на­ пылительную установку (рис. 60). Принципиальная схема уста­ новки приведена на рис. 61.

85

Кремниевую пластину с диффузионными меза-структурамв устанавливают в рабочий объем установки на специальную' плиту или столик. В спиральный вольфрамовый испаритель за­ гружают распыляемый материал (стекло ХГ-32). Расстояние от испарителя 150—170 мм. Закрывают металлический колпак и начинают откачку системы до давления 2 -ІО-5 мм рт. ст.

Температура испарения этих стекол — 530—570° С. Напыле­ ние производят в течение 2—3 мин. Испаряющееся стекло тон­ ким ровным слоем осаждается на пластины кремния. Толщина слоя зависит от времени напыления (обычно 0,5—1,5 мкм). В те­ чение всего процесса в установке должен поддерживаться ваку­

получения защитной пленки, относительно простое оборудова­ ние и большие скорости нанесения; недостатки — трудность контроля состава покрытий п сравнительно низкое качество стек­ лянных пленок.

Для нанесения тугоплавких стекол (В20з—ZnO—А120 3; Si02—В20з—РЬО—А120 з) на структуры с омическим контактом в промышленности применяют в основном два метода: метод се­ диментации и метод растворной керамики из суспензии тонкого слоя порошка стекла на подложку с последующим оплавлением порошка в пленку. Оба метода остекловывания являются груп­

на примере защиты пластин с транзисторными структурами, на которые нанесен алюминиевый контакт. Пластину с транзистор­ ными структурами помещают на дно центрифуги планарной сто­ роной вверх. Затем стакан заполняют определенным количе­ ством суспензии стекла. Под действием центробежной силы при центрифугировании в течение 3—4 мин (3000—3500 об/мин) час­ тицы стекла осаждаются на пластину, образуя тонкую порошко­ вую пленку стекла. Толщина пленки контролируется концеитра-

86

цией и количеством взятой суспензии. Пластину с осажденным стеклом после слива жидкости подсушивают, а затем слон по­ рошка стекла оплавляют при температуре 510—520° С в течение 5 мин. Толщина слоя стекла 1—1,5 мкм.

Для воспроизведения седнментационнон методики остекловы­ вания стекло необходимо измельчать до частиц размером 0,1—

I

1 'і

і

Рис. 60. Вакуумная напылительная устапоька

0,5 мкм, так как только при таких размерах частиц можно по­ лучить сплошную и однородную по толщине пленку стекла.

Основным достоинством метода седиментации из суспензий является его универсальность, т. е. вероятность нанесения сплош­ ной равномерной пленки стекла практически любого состава. К недостаткам следует отнести определенную технологическую сложность, особенно в приготовлении суспензии с размером час­

тиц 0,1—0,5 мкм и меньше.

Методом растворной керамики можно также получать тон­ кую, равномерную по толщине стекловидную пленку. Метод

87

растворной керамики заключается в том, что на нагретую до температуры 150—200° С пластину наносят спиртово-водный раствор, содержащий в необходимых соотношениях соединения* при нагревании разлагающиеся до окислов, входящих в стекло. При последующем нагревании эти окислы оплавляются в топ­ кую, равномерную по толщине стекловидную пленку.

Снимают стекло с контактных площадок двумя способами: путем нанесения защитных битумных масок на всю поверхность

Рис. 61. Принципиальная схема установки для распыления стекла в вакууме:

I — стальной колпак, 2 — испаритель, 3 — источник пе­ ременного тока, -/ — корпус установки, 5 — вакуумная прокладка, 6 — подложка

кроме контактных площадок и последующего травления в спе­ циальных травителях -и стравливания стекла с контактных площадок с помощью методов фотолитографии.

К недостаткам метода растворной керамики следует отнести то, что из-за ограниченной растворимости солей компонентов отдельные стекла, перспективные для защиты полупроводнико­ вых .структур, не удается получить в виде растворов.

§ 22. Защита полупроводниковых структур пленками нитрида кремния и другими методами

Защита нитридными пленками и двуокисью кремния, полу­ ченными при низких температурах методами реактивного рас­ пыления, катодного распыления и др., находит все большее при­ менение для структур с нанесенными омическими контактами.

88