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

Нитридами кремния называют соединения кремния с азотом. Соединения кремния с азотом крайне неустойчивы, единствен­ ным прочным является соединение Si3N4.

Пленки нитрида кремния получают различными путями. Наиболее распространен метод реактивного распыления в плаз­ ме низких энергий.

Электрические свойства пленок нитрида кремния, полученных методом реактивного распыления, следующие: диэлектрическая

бомбардировке поверхности твердого тела положительными ионами плазмы.

Подвергаемый распылению материал помещают в прианодную область разряда, где наибольшая концетрация положитель­ ных ионов. На электрод (мишень) подают отрицательный отно­ сительно плазмы потенциал, практически несколько сот вольт, и только при этом начинается, заметное распыление материала электрода.

Принципиальная схема установки для реактивного плазмен­ ного распыления показана на рис. 62. Установка состоит из основания, колпака с подколпачным устройством, вакуумной сис­ темы, системы водоохлаждения, газовой системы и электрообо­ рудования. Основание представляет собой сварной металличес­ кий каркас, сверху на нем размещен колпак с подколпачным устройством.

Под вакуумным колпаком 5 монтируется анод 2 и дсатод 7, служащие электродами газового разряда, а также мишень 1. Большая площадь мишени обеспечивает равномерность получе­ ния пленок по толщине на всей пластине. Подложка служит для размещения кремниевых пластин или отдельных меза-структур. Расстояние подложки от распыляемого материала может регу-. лироваться в пределах 70'—80 мм.

При достижении разрежения порядка 10~4—10_6 мм. рт. ст. включают ток катода. Термоэлектронный катод служит источни­ ком электронов. Вольфрамовая нить накала катода помещена в углубленный корпус для того, чтобы загрязнения от вольфрама не попадали в камеру распыления. На входе катода в камеру ус­ тановлен кварцевый волновод 8, предназначенный для направле­ ния потока электронов к расположенному напротив волновода аноду. После отжига в течение 5—\ Qm u h b вакуумную камеру на­ пускают азот высокой чистоты. В камере создается и поддержи­ вается давление порядка ІО-4—КП3 мм рт. ст. На анод подают постоянное напряжение, и во время процесса он имеет положи­ тельный потенциал. Электроны, выделившиеся о поверхности ка­ тода на пути к аноду, разбивают при соударениях частицы газа на положительные ионы и электроны, которые, в свою очередь, так­ же разбивают при соударениях частицы газа. Таким образом,

89

число ионизированных частиц газа постепенно увеличивается, что приводит к образованию плазмы.

Распыление материала мишени получается при.подаче иа нее высокого отрицательного относительно плазмы потенциала (по­ рядка нескольких сот вольт). Под действием кинетической энер­ гии положительных ионов, источником которых служит газовая плазма, происходит процесс выбивания свободных атомов или ионов с поверхности распыляемого кремния.

Рис. 62. Установка реактивного распыления нит­ рида кремния:

/ — мишень, 2 — анод, 3 — подвижном экран, 4 — подлож­

Частицы кремния, выбитые с распыляемого материала, попа­ дают в объем, наполненный азотом. Вследствие низкого давле­ ния азота в камере, не претерпевая взаимодействия и сохраняя таким образом кинетическую энергию, выбитые атомы распы­ ляемого кремния движутся преимущественно в направлении, пер­ пендикулярном поверхности мишени, причем средняя скорость их зависит от энергии ударяющихся о распыляемый материал по­ ложительных ионов азота. Частично распыленные частицы пере­ носятся в результате диффузии сквозь азот. Проходя через газ и осаждаясь на поверхности защищаемых структур, частицы

90

распыленного кремния реагируют с азотом, образуя химическое соединение Si3N4 (нитрид кремния).

Отдельные частицы кремния, не успев прореагировать с азо­ том, могут достигать подложки и вызывать нарушение соотно­ шения между этими компонентами, хотя вероятность эта и мала. При небольших скоростях роста пленки (20—200 А/мин) атомы кремния, осевшие на поверхности подложки, могут успеть про­ реагировать с азотом еще до нарастания нового слоя пленки; при повышении скорости осаждения пленки вероятность нарушения стехиометрии будет возрастать. Поэтому важно выбирать опти­ мальные режимы напыления (плотность тока, давление азота, напряжение мишени, расстояние между мишенью и под­ ложками) .

Нитрид кремния Si3N4 может образовываться и на распыляе­ мом кремнии, а затем выбиваться с поверхности и переноситься к подложке уже в виде соединения.

Предварительно подложка подвергается очистке в разрядной плазме, а мишень распыляют при рабочем высоком напряжении для снятия слоев поверхностных загрязнений. Подложку закры­ вают подвижным экраном, на котором конденсируются распы­ ленные загрязнения поверхностных слоев. По окончании процес­ са выключают высокое анодное напряжение, закрывают натекатель и выключают накал катода. Производят напуск воздуха в ■систему, поднимают колпак и вынимают продукцию.

Качество полученных структур с нанесенным нитридным сло­ ем оценивают с помощью измерения основных электрических параметров и осмотра внешнего вида по контрольным картам. Пленка должна быть одноцветной, зеркальной, без видимого на­ лета, загрязнений и обладать высокой сплошностью и структур­ ным совершенством.

При работе на установке необходимо особенно следить за чистотой подколпачного устройства. Через каждые 10—15 про­ цессов следует производить чистку установки, а обработку квар­ цевых деталей — через пять процессов. Все работы, связанные с загрузкой и разгрузкой, необходимо проводить в резиновых на­ пальчниках.

Преимуществом метода реактивного распыления является то, что процесс протекает при невысоких температурах, и практи­ чески не происходит дополнительной диффузии, изменяющей распределение примесей в полупроводниковом материале и па­ раметров приборов. При реактивном методе стремятся получить нитридные пленки с аморфной структурой, так как на границе аморфной пленки с полупроводниковыми материалами возни­ кают меньшие напряжения, чем у кристаллической.

Так как пленка нитрида кремния может быть получена с по­ мощью нанесения, а не путем выращивания за счет самого крем­ ния, то она может быть применена и для защиты других полу­ проводниковых материалов, в том числе германия, арсенида

.галлия и др. Нитриды кремния отличаются огнеупорностью и

91

кислотостойкостью. Из разбавленных кислот на них действует только кремшшфтористоводородная. Концентрированная серная кислота при нагревании действует слабо.

К недостаткам нитридных пленок можно отнести следующие: слон толщиной более 1 мкм имеют тенденцию к растрески­ ванию вследствие возникновения напряжений на границе между

кремнием и нитридом кремния; молекулы газа, химически активированные разрядом, интен­

сивно адсорбируются слоем нитрида кремния, поэтому готовая пленка часто содержит большое количество атомов газа, что мо­ жет вызвать сильные отклонения в структуре и свойствах слоев.

Физическая сущность процесса нанесения пленки двуокиси кремния на полупроводниковые структуры методом реактивного распыления ничем не отличается от рассмотренного выше про­ цесса нанесения нитридной пленки. Чтобы распыляемый крем­ ний подвергался окислению, разряд производится либо в кис­ лороде, либо в смеси кислорода и инертного газа (например, ар­ гона). Кислород и инертный газ, используемые для разряда, должны быть высокой чистоты. Пленка SіОг, полученная таким способом, аморфна, прочно связана с кремнием ковалентными связями и свободна от каких-либо загрязняющих примесей. Пленка имеет высокую термостойкость и хорошие диэлектричес­ кие характеристики.

На некоторых сплавных структурах окисные защитные слои образуют с помощью окислителей, например, путем погружения в кипящую азотную кислоту с последующей выдержкой.

Титанирование применяют для защиты кремниевых и герма­ ниевых транзисторов. Сущность процесса состоит в том, что полупроводниковую структуру путем окунания или в парах суспен­ зии покрывают одним из сложных эфиров (например, негидролизированным титановым эфиром), затем покрытие стабилизиру­ ется при повышенной температуре. В результате получаются прочные химически связанные с поверхностью полупроводнико­ вого прибора пленки двуокиси титана ТіОг.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение травления перед защитой полупроводниковых структур?

2.Какие существуют методы защиты переходов?

3.Какие требования предъявляют к защитному покрытию?

4.Назовите известные вам способы лакирования.

5.Какие преимущества и недостатки имеет метод лакирования?

6.Как осуществляется контроль залакированных структур и каковы ос­ новные виды брака?

7.В чем сущностБ метода силаиировапия?

8.Назовите преимущества и недостатки силаиировапия.

9. В чем заключается метод реактивного распыления нитридных пленок

вплазме низких энергий?

10.Как протекает технологический процесс защиты легкоплавкими

стеклами?

11.Какие способы защиты тугоплавкими стеклами?

12.Для чего нужна защита поверхности с /;-я-переходом?

Глава VI

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Надежность полупроводниковых приборов в процессе рабо­ ты в аппаратуре и при хранении в значительной степени опреде­ ляется герметичностью соединения, получаемого во время гер­ метизации приборов в корпус.

Несмотря на появление в последние годы самых разнообраз­ ных методов герметизации: бесфлюсовой пайки, диффузионной сварки, сварки электронным лучом, наибольшее распростране­ ние в полупроводниковой промышленности, особенно в серийном производстве, получили холодная и электроконтактная сварки.

§ 23. Герметизация холодной сваркой

Метод герметизации полупроводниковых приборов холодной сваркой применяется для герметизации транзисторов и диодов средней и большой мощности.

Рис. 63. Деформация корпуса при герметизации холодной сваркой

Достоинством метода холодной сварки является отсутствие нагрева при герметизации и сопровождающего явления нагре­ в а — выделения газов внутрь герметизируемого объема. Необхо­ димо учитывать, что в результате значительной деформации де­ талей корпуса в месте соединения при холодной сварке наблюда­ ется существенное изменение формы и габаритных размеров корпуса (рис. 63), величина которых может быть подсчитана.

Увеличение наружного диаметра прибора D\ определяется'по формуле

ДD i = cI d -{S b-\ -S h),

где q'-D— коэффициент, учитывающий увеличение диаметра;

(Д о = 0 , 6 - М , 3 ,

93

верхней детали; <7"о = 0,5-у0,8.

Увеличение высоты Н колпака для транзисторов и баллона для диодов при величине Ö ,Z 8 мм определяется по формуле,

A t f = <7„-5в,

где qn— коэффициент, учитывающий увеличение высоты верхней детали корпуса; ^а=0,3ч-0,6.

Для герметизации полупроводниковых приборов может при­ меняться двусторонняя или односторонняя холодная сварка по замкнутому контуру. Двусторонняя сварка рекомендуется для соединения деталей из однородных металлов, а односторонняя предпочтительна для соединения деталей из разнородных метал­ лов из-за опасности образования сильно подрезанного участка со стороны более мягкой детали и последующего нарушения гер­ метичности прибора в процессе эксплуатации. Однако на прак­ тике избегают образования подрезанного участка путем увели­ чения ширины рабочей части пуансона со стороны мягкой детали.

Как указывалось выше, особенностью метода герметизации холодной сваркой является значительная деформация около­ шовной зоны с сильным искажением формы деталей. При этом деформация может передаваться в другие части детали и дос­ тигать зон металло-стеклянных и металлокерамических спаев и мест крепления полупроводниковых структур. Она может выз­ вать разрушение спаев, ухудшение контакта полупроводнико­ вой структуры с держателем (фланцем), растрескивание полу­ проводникового материала с потерей необходимых электричес­ кихпараметров приборов. Чтобы избежать распространения деформаций, применяют различные конструкции ножек, фланцевдержателей, колпаков и корпусов баллонов, предусматривающие защиту полупроводниковых структур и спаев металл-изолятор (рис. 64). Конкретную конструкцию деталей и метод защиты от деформации выбирают в зависимости от устанавливаемых габа­ ритов прибора, условий его работы в аппаратуре и мощности.

В частности, толщину буртиков выбирают в зависимости от диаметра £):

94