Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

p> 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 тем интенсивнее, чем ниже температура изделия. Обработку в парах растворителя применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления загрязнений , а также для сушки изделей после прополаскивания в водой. Плохо удаляются в парах мыла, растворимые масла и другие загрязнения содержащие воду. Недостатки метода являются значительные потери растворителя из-за испарения, поэтому следует использовать герметичные установки.

После обработки в парах растворителя на поверхности изделий могут остаться следы мелкие нерастворимые частицы загрязнений, поэтому такую очистку совмещают с обработкой в жидких растворителях. В установке жидкосно- паровой очистки большая часть загрязнений удаляется в паровой камере, а окончательная отмывка происходит в ультразвуковой ванне.

Качество очистки. На качество очистки влияют температура , состав моющей смеси, интенсивность перемешивания, продолжительность обработки и способ сушки.

При повышении температуры улучшается очищающая способность растворителей и качество очистки. Однако при слишком большой температуре некоторые загрязнения могут закрепиться на поверхности, а при удалений загрязнений , содержащих растворимые и нерастворимые омпоненты, могут быстро удаляться быстро растворимые и прочно закрепляться на поверхности нерастворимые. Чтобы одновременно удалять оба вида загрязнений , целесообразно снижать температуру моющего раствора. В процессе очистки для предотвращения брака необходимо постоянно измерять и точно поддерживать заданную температуру.

При очистке большого количества деталей в одной ванне происходит загрязнение моющего раствора и из-за повторного осаждения загрязнений на очищенную поверхность снижается качество обработки. Поэтому необходимо регулярно заменять загрязнённый растворитель свежим. Определяют степень загрязненности растворителя по его удельному сопротивлению или температуре кипения (при насыщении растворителя жировыми загрязнениями его температура повышается). Для улучшения качества очистки необходимо повышать интенсивность перемешивания раствора.

Увеличение времени очистки не всегда позволяет существенно повысит чистоту обрабатываемых деталей. В некоторых случаях для повышения чистоты поверхноcти целесообразно повторить очистку.

Остатки растворимых соединений, которые оседают на поверхности при испарении жидкости, могут быть причиной образования пятен и подтёков. Эти дефекты появляются, если для прополаскивания используют недостаточно чистую жидкость или отмывку выполняют не качественно. Для удаления пятен и подтёков детали обрабатывают в более эффективных моющих растворах, обезжиривают в парах растворителя и сушат на высокоскоростных центрифугах.
При такой сушке растворённые загрязнения удаляются с поверхности вместе с жидкость под действием центробежных сил прежде, чем жидкость успеет испарится. Одним из приёмов повышения качества очистки является отделение сильно сильнозагрязнённых деталей , если они составляют небольшую часть обрабатываемой партии, и очистка их отдельно по специальной технологии.

При работе с хлорорганическими растворителями нельзя допускать попадание в них воды, так как происходит гидролиз — взаимодействие растворителя с водой с образованием соляной кислоты, в присутствии которой процесс разложения хлорорганических растворителей протекает более интенсивно. Характерный запах соляной кислоты является сигналом о наличие в растворителе воды. Гидролиз резко снижает растворяющую способность хлорированных углеводородов, и на очищаемой поверхности остаётся большое количество трудноудалимых ионов хлора.

Отмывка в кислотах и щелочах.

Отмывку в кислотах применяют для очистки поверхности от атомов, ионов металлов, а также оксидов , сульфидов, нитридов и других химических соединений , растворимых в них. Для очистки поверхностей применяют как минеральные, так и органические кислоты , а также кислотные растворы, в состав которых входят поверхностно-активные вещества для отмочки загрязнений, растворимые в воде органические растворители и травильные ингибиторы, предупреждающие растворение полупроводникового материала. В кислотных растворах одновременно удаляются оксиды и жировые загрязнения , при этом очень интенсивно выделяются газы , которые образуются при взаимодействии кислот с загрязнениями. На производстве кислотной обработке, как правило, предшествует обезжиривание в органических растворителях.
После кислотной обработке на поверхности полупроводникового материала остаётся очень много трудноудалимого кислотного остатка.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6