Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

Синтетические цеолиты — высоко-эффективные алюмосиликатные адсорбенты; в обезвоженном ви-де – пористые кристаллы с размерами около 1 мкм. Поры цеолитов представляют собой сферические полости с диаметром от 1,14 до 1,19 нм, соединённые между собой более узкими отверстиями , на-зываемые окнами . Эффективные диаметры окон существенно отличаются в каждом типе цеолита и зависят от природы ионо-обменного катиона. Выпускаются пять марок цеолитав: КА, NaA, CaA, NaX и CaX, в которых эффективный диаметр окон соот-ветственно равен 0,3;0,4;0,5;0,8;0,9 нм. Находящиеся в полостях цеолитов катионы создают в них области с неоднородными элек-тростатическими полями, поэтому цеолиты особенно энергично адсорбируют электрически несимметричные молекулы воды, дву-окиси углерода, метанола, а так же органических веществ.

Особенностью адсорбционных свойств пористых кристал-лов цеолитов является молекулярно-ситовое действие; в первичной пористой структуре адсорбируются молекулы малых размеров, более крупные молекулы, для которых входы в полости через окна недоступны, не адсорбируются. Поэтому при использовании цео-литов необходимо учитывать органические адсорбируемости ве-ществ за счёт молекулярно-ситового действия.

Кристаллы цеолитов микроскопических размеров в смеси с добавками 15–20% глины формируют в таблетки, гранулы или ша-рики различных размеров, которые для повышения механической прочности подвергают термической обработке в течение 2-6 ча-сов при 550-600 С. Адсорбционные свойства формованных цеоли-тов по сравнению с кристаллическими обычно ниже на 20% в ре-зультате введения глины. Формованные цеолиты применяются для глубокой осушки и тонкой очистки газов и жидкостей. Основ-ные свойства цеолитов приведены в таблице №1!

Характеристика Марка цеолита

KA NaK CaA NaX CaX

Насыпная масса, г/см2 0,62 0,65 0,65 0,6 0,6

Механическая прочность на раз-давливание, Н/м2 4106 5106 5106 4106 4106

Водостойкость, мас. % 96 96 96 96 96

Динамическая активность по па-рам воды, мг/см3, для таблеток диаметров, мм:

4,5 62 90 72 95 90

3,6 70 10 80 100 95

2,0 85 12 95 105 100

Динамическая активность по уг-лекислому газу, мг/см3 2,0 — — — —

Динамическая активность по па-рам бензола, мг/см3, для табле-ток диаметром, мм:

4,5 — — — 52 52

3,6 — — — 65 62

2,0 — — — 68 65

Потери при прокаливании, мас. % 5 5 5 5 5

Защита p-n-переходов плёнками окислов металлов.

В полупроводниковой технологии для защиты кристаллов с p-n-переходами применяются плёнки на основе окисей металлов: алюминия, титана, бериллия, циркония. Исходный материал берут в виде порошка, а в качестве несущего агента может быть ис-пользован галоген или галоидное соединение водорода. Через рабо-чую камеру пропускают инертный газ и устанавливают перепад температур между источником защитного материала и полупро-водниковым кристаллом. Температура источника должна быть выше температуры кристаллов, причём с увеличением разницы температуры скорость реакции повышается.

Для осаждения защитных плёнок Al203, BeO, TiO2, ZnO2 температуру источника выбирают в диапазоне 800–1200 С, кри-сталлов – в диапазоне 400–800 С, а расстояние между ними уста-навливается в зависимости от требуемой разницы температур (от 10 до 15 см) В таблице 2! приведены режимы осаждения за-щитных плёнок окислов металлов.

Таблица 2

Материал источника Несущий агент Температура источника, 0С Температура кристаллов, 0С

Al2O3 HCl(HBr) 800–1000 400–700

BeO HCl(HBr) 900–1200 500–750

TiO2 HCl(HBr,Cl2) 800–1000 500–700

ZnO2 HCl(HBr) 1000–1200 500–800

Процесс осаждения защитной плёнки на полупроводниковые кристаллы с p-n-переходами проводят в кварцевой трубе, в одном конце которого помещают материал источника, например Al2O3 , а в другом – подложку с кристаллами. Сначала в трубе создают вакуум, а потом вводят необходимое количество инертного газа. Труба имеет две температурные зоны: 900 С – для источника, 500 С – для кристаллов.

В качестве защитного материала можно использовать также свинцовый сурик Pb3O4, растворенный в смеси из 7,5% поли-этилена и 92%полибутилена и перемещённый при температуре 125–160 0С. Полученный состав при температуре 112 С наносят на поверхность кристаллов с p-n-переходами. В качестве окисляю-щего агента используют хромат цинка ZnCrO4. Кроме того, за-щитные плёнки могут быть получены на основе смесей Pb3O4 и ZnCrO4, SrCrO4 . Порошок этих веществ смешивают с летучими растворителями получают суспензии, которые наносят на поверх-ность полупроводниковых кристаллов распылением. Кристаллы с напылённым защитным слоем выдерживают в течение нескольких минут при комнатной температуре до полного испарения раство-рителя, а затем нагревают до 200 С. В результате нагревания частицы нанесённого вещества выделяют ионы кислорода, кото-рые замещают ионы водорода на поверхности полупроводникового материала, и на поверхности кристаллов образуется плотная за-щитная плёнка. Этот способ защиты позволяет снизить обрат-ные токи приборов на один-два порядка.

Вакуумным катодным распылением Al2O3, MgF2, Ta2O5, TiO2, ThO2, ZnO2, BeO, и MgO на поверхности кристаллов с p-n-переходами могут быть получены защитные диэлектрические плёнки, которые представляют собой с поверхностью полупровод-никового кристалла.

Для защиты и стабилизации электрических параметров p-n-переходов проводят процесс титанирования, который состоит в том, что на поверхность кристаллов с p-n-переходами осаждают один из сложных эфиров: негидролизированный титановый эфир, тетраизопропилтитанат, тетрабутилтитанат или тетраэтил-гексинтитанат. Полученное покрытие стабилизируют термиче-ским прогревом или при помощи катализаторов и получают про-чие, химически связанные с поверхностью полупроводникового кри-сталла плёнки двуокиси титана.

Другой способ титанирования заключается в замещении слоя окиси германия на поверхности кристалла германия окисью титаната, которая наносится в потоке фтора. Фтор, проходя по трубопроводу и насыщаясь титаном, образует газообразный фторид титана, который реагирует с поверхностью кристаллов, покрытий слоем окиси германия. В результате на поверхности кристаллов образуется окись титана и парообразный фторид германия.

Для защиты поверхностей p-n-переходов может быть ис-пользован нагрев кристаллов при 1200 С в окисляющей атмосфере в присутствии ванадия или его соединения. Ванадий находится в ра-бочей камере в виде порошкообразной пятиокиси V2O5. Через рабо-чую камеру пропускают водяные пары, содержащие кислород с парциальным давлением 3,3*103 Па. После получения плёнки тол-щиной около 1 мкм лодочку с порошком V2O5 медленно выдвигают из печи.

Поверхность p-n-перходов защищают также плёнками окиси вольфрама, наносимыми плазменными распылением в атмо-сфере кислорода. Толщина плёнок от 10 до 1000 нм. Давление ки-слорода в рабочей камере может быть выбрано в диапазоне от 2,6*103 до6,6 Па. Катодом служит чашеобразный диск из вольф-рама, а анодом – полупроводниковые пластины с p-n-переходами. Температура процесса не должна превышать 300 С. Напряжение на электродах от выбранного давления газа внутри рабочей каме-ры не должно превышать 500 В.

Защита поверхности p-n-переходов плёнками нитрида кремния.

Нестабильность электрических параметров планарных структур вызвана движением ионов щелочных металлов как внут-ри, так и на поверхности окисла. Ионы щелочных металлов, осо-бенно ионы натрия, обладают сравнительно большой подвижно-стью (для Na при Т=200 С , м=10-12 см2/(В*с)) при повышенных температурах движутся в электрическом поле.

Одним из способов повышения стабильности планарных приборов является выращивание поверх слоя двуокиси кремния слоя Si3N4 или стекла. Стекло связывает ионы натрия и препятствует их перемещению, а Si3N4 улучшает изоляцию поверхности актив-ных структур.

Для получения защитных плёнок нитрида кремния исполь-зуются различные методы, основанные на следующих реакциях взаимодействия : силана с аммиаком, тетрахлорида кремния с аммиаком, силана с гидрозином, тетрабромида кремния с азотом. Кроме того, используются методы катодного и высокочастотно-го реактивного распыления.

Реакция взаимодействия SiH4 с NH3. Выращивание плёнок нитрида кремния производится химическим взаимодействием в га-зовой среде силана с аммиаком. Азотирование производится в кварцевой трубке при температурах 700–1100 С. В трубу с током водорода с расходом 4 л/мин подают пары силана и аммиака в соотношении 1:20. Избыток водорода препятствует преждевре-менному разложению силана (температура разложения силана 500С). В результате взаимодействия силана и аммиака на кремне-вой подложке образуется плёнка нитрида:

3SiH4+4NH3 —>Si3N4+12 H2

Уменьшение скорости роста плёнки с увеличением темпе-ратуры свыше 1000 С обусловлено недостаточным количеством силана вблизи подложки вследствие его интенсивного разложения. Обычно плёнки имеют аморфную структуру, однако в плёнках, вы-ращенных при 1100С, наблюдаётся отдельные кристаллические образования.

Реакция взаимодействия SiCl4 с NH3. При выращивании плёнок протекают следующие реакции. На начальной стадии обра-зуются диимид кремния:

SiCl4+^NH3–>Si(NH)2+4NH4Cl

При комнатной температуре реакция дальше не идёт, но происходит полимеризация диимида. При нагреве подложки про-текает реакция:

6Si(NH)2–>2Si3(NH3)N2–>3Si2(NH)N2–>2Si3N4

В результате образуются