книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

£0б атомных радиусов. Контактирование поэтому всегда начинается в отдельных точках. Площадь контакта уве­ личивается ,по мере сближения поверхностей и увели­ чения давления. Поскольку обычно контактируют мате­ риалы с различной жесткостью, при сближении дефор­ мируется в первую очередь более пластичный материал— металлическая проволока. Когда атомы металла и крем­ ния достаточно сблизятся, окажется возможным физиче­

физической адсорбции, однако, малы, так что контакт хотя и возникает, но будет непрочным. Для прочного соединения нужна хемосорбция — образование общих электронных орбит. Основной помехой для хемосорбции является насыщение поверхностных связей кислородными атомами, молекулами, адсорбированными из атмосферы, а также атомами примесей и загрязнений. Чтобы освобо­ дить эти связи, т. е. активировать поверхностные атомы, сделать их реакционноспособными по отношению к ато­ мам другого контактирующего вещества, необходимо затратить некоторую энергию активации. Эту энергию системе передают посредством нагрева или механиче­ ского воздействия (давление или ультразвуковые пере­ мещения). Окисные пленки, являющиеся одним из глав­ ных препятствий для химического взаимодействия, эффективно разрушаются при пластическом течении ма-

335

Рис. 7-15. Схема процесса термоком­ прессии и распределения напря­ жении.

ления дислокаций на кремнии после тер-

3 — кремний; 4 — ямки травления.

должно быть затрачено больше энергии, чтобы началась пластическая деформация. Общий темп образования соединения на этой стадии поэтому замедляется. За­ держка также связана с процессом разрушения окисной пленки на поверхности кремния и созданием активных центров в местах выхода свежих дислокаций. Заметим, что размеры активных центров больше размеров дисло­ каций: условный диаметр таких очагов схватывания до­ стигает 3 мкм. Это связано с тем, что вокруг дислокаций существуют поля упругих напряжений {Л. 7-32]. Под их влиянием изменяются ширина запрещенной зоны крем­ ния и, следовательно, электронно-дырочное равновесие. Если изменения ширины зоны превышают несколько kT, что вполне возможно [Л. 7-33, 7-34], возникают обменные переходы электронов и дырок, проявляющиеся в реакци­ онной способности напряженного участка. Таким обра­ зом, активные центры — это дислокации и окружающие их поля упругих напряжений. Пластические деформации при термокомпрессии развиваются в приповерхностном слое толщиной от десятых долей микрона до нескольких

336

микрон [Л. 7-35]. Разёйтие очагов схватывания по пОверхности и в глубину является третьей стадией процес­ са. Несмотря на то, что уже на второй стадии образу­ ются прочные химические связи, процесс,, остановленный на этой стадии, не обеспечит надежного соединения. На третьей стадии наблюдаются, во-первых, слияние отдель­

травить алюминий в соляной кислоте, а затем обрабо­ тать поверхность кремния в любом составе, выявляю­ щем места выхода дислокаций (Л. 7-36], можно наблю­ дать характерный отпечаток термокомпрессионного со­ единения (рис. 7-15). Образование полумесяцев объясняется распределением напряжений при термо­ компрессии, показанным на рис. 7-15,а, б.

При фиксированных температуре и давлении это рас­ пределение изменяется в зависимости от степени дефор­ мации проволоки, т. е. отношения b/h, где b — ширина участка контакта; h — высота деформированной проволо­ ки. При 6//г^4 начинается течение алюминиевой прово­

l:MaKC = 0 s/l^3,

где os — предел текучести алюминия; максимальное^ зна­ чение нормальных напряжений в центре контакта равно:

W—j7=-[l+(-jr 4-)_

а именно прочности контакта как функции температуры, давления и времени (рис. 7-16) (Л. 7-40]. Снижение про­ чности при превышении определенного времени термокомлрессии (рис. 7-16,а) объясняется тем, что для соз-

релаксп'руют, и вместо образования новых связей начнет­ ся процесс разрыва уже создавшихся. Температура и

контактов, следует учитывать влияние остаточных яв­ лений на электрические параметры приборов. Под дей­ ствием давления и температуры в полупроводнике воз­ никают два основных эффекта: изменяется ширина зап­

ний решетки). Если превышен определенный предел на­ грузки, эффекты эти остаются и влияют на процессы ге­ нерации— рекомбинации в приборе. В результате воз­ растают обратные токи переходов в транзисторах, пада­ ет усиление по току, увеличивается уровень шумов и т. д. [Л. 7-34,7-38,7-39].

338

В планарной технологии присоединяют металличе­ скую проволоку не к кремнию 'непосредственно, а к шлей­ ке металлла, нанесенной на поверхность кремния. Нали­

щимся не на кремнии, а на окисле, менее ясен. Возмож­ но, дефекты слоя двуокиси кремния, на который выво­

в первую очередь способом обеспечения плотного контак­ тирования. Для этой цели используются вибропереме­ щения, направленные параллельно поверхности контак­ та: при таком направлении перемещений окисиые плен­ ки эффективнее разрушаются и выносятся из зоны кон­

прикладывается давление, а иногда и нагрев. Пос­ леднее, впрочем, не всегда обязательно, так как энергия, выделяющаяся за счет трения перемещающихся повер­ хностей, достаточна для интенсивного их разогрева. Под совместным воздействием вибрации и давления про­ исходит сглаживание неровностей поверхности и удале­ ние окисных пленок; зона контакта увеличивается. Про­ цесс образования активных центров и очагов схватыва­ ния при ультразвуковой сварке протекает интенсивнее, чем при термокомпрессии, и производительность этого способа выше.

Если напряжения, возникающие при вибрации, пре­ вышают предел упругости образующегося соединения, прочность контакта будет понижаться. Отсюда следует, что зависимость прочности контакта от режима ульт­ развуковой сварки должна иметь максимум. Вначале прочность растет, так как увеличиваются площадь кон­ такта и, следовательно, усилие отрыва (отслаивания) от кремния. Затем прочность падает; основной причиной этого является уже не отслаивание контакта, а разрыв

?2*

1,0 Мощность, вт

Рис. 7-17. Зависимость прочности контакта при ультра­ звуковой сварке от подводимой мощности.

Н отслаивание контакта; О — разрыв; ф — ширина д е ф о р ­ мированной проволоки.

не стремиться к максимальной точности, а выбирать рабочую точку на правой ветви зависимости (рис. 7-17) для обеспечения стабильности процесса. Контроль про­ цесса и выбор рабочей точки удобно осуществлять, не разрушая контакт, а измеряя ширину деформированной части проволоки. При работе в правой ветви зависимости увеличение деформации однозначно соответствует сниже­ нию прочности. Ширина деформированной части пропор­ циональна времени присоединения и давлению. По дан­ ным работы [Л. 7-42], оптимальные условия создания кон­ такта реализуются при ширине деформированной части, равной полутора-двум диаметрам проволоки.

7-5. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПЛАНАРНЫХ ПРИБОРОВ

Герметизация — это операция заключения структуры в оболочку, в определенной степени предохраняющую от воздействия внешних факторов: влаги, температуры, ме­

340

путных приборах) пленки нитрида кремния, стекла, оки­ си алюминия и других изоляторов.

Бескорпусные пленарные приборы не требуют жест­ кой оболочки, так как обычно применяются в качестве активных компонентов гибридных схем, которые после изготовления дополнительно герметизируются стеклом или пластмассой.

Тщательная изоляция от попадания извне молекул воды или ионов любых веществ в планарных приборах необходима, несмотря на защитный слой двуокиси крем­

достаточной для электролиза воды. Примером может служить поверхность раздела золота и алюминия. Доба­ вим также, что алюминий в месте контакта с сильнолегнрованным кремнием л-типа корродирует сильнее, чем в месте контакта с р-кремнием. Тонкая пассивирующая пленка на алюминии не защищает его от взаимодейст­ вия с водой, особенно в присутствии ионов галогенов или металлов. Коррозионные процессы протекают обычно не­ равномерно на участках деформации, шероховатостях, на ступеньках окисла, местах соединений. Результатом коррозии является такой вид отказа, как обрывы. С про­ никновением влаги и последующим электролизом связан также второй вид отказов—короткие замыкания. Если конечные продукты электролиза не обладают изоляцион­ ными свойствами, 'между близко расположенными 'метал­ лическими площадками может возникнуть проводящий мостик. Применение золота не гарантирует при этом от короткого замыкания, так как в присутствии ионов хло­ ра образуется растворимое хлорное золото и начинается электролиз. Если негерметизированный пленарный диод выдержать смещенным в обратном направлении в тече­ ние 2 ООО ч в атмосфере 95%-ной влажности при темпе­ ратуре + 60° С, типичные средние значения обратных то­ ков вырастут с Ю - 1 0 до 10_ 6 а. Таким образом, защищать планарные структуры от воздействия влаги необходимо, •и весь вопрос в том, в какой мере удается осуществить

341

вают высокую герметичность. Герметичность спая ме­ талл—стекло в местах выводов достигается согласовани­ ем материалов по коэффициентам термического расшире­ ния. Едва ли не единственным подходящим металлом для выводов является при этом ковар. Однако невысокая электро- и теплопроводность ковара заставляет в мощ­ ных приборах использовать биметаллические выводы, например систему медь — ковар — медь, у которой эти свойства на один-два порядка лучше. В мощных прибо­ рах применяют также молибден. Соединение колбы корпуса с основанием осуществляется контактной электрической сваркой или холодной сваркой. Техноло­ гия изготовления адеталлостеклянных корпусов и герме­ тизации в них приборов подробно описана в [Л.7-43].

Стеклянные корпуса (рис. 7-18,6") используются в ос­ новном для маломощных диодов, Эти корпуса отличают-

Щ

ся простотой, обеспечивают эконбмйчнось герметизаций, но плохо отводят тепло от структуры.

Металлокерамические корпуса (рис. 7-18, в) приме­ няют сравнительно недавно, но они весьма перспектив­ ны [Л. 7-44]. Объясняется это высокими изоляционными свойствами керамики, поверхностное сопротивление ко­ торой достигает 1>0Ш ом, сочетающимися с хорошей теплопроводностью (у бериллиевой керамики она такая же, как и у алюминия) и хорошей совместимостью по коэффицентам расширения как со стеклом, так и с метал­

рошка окиси бериллия ВеО; диаметры зерен в готовой керамике составляют 20—40 мкм. От содержания чистого ВеО в значительной степени зависят свойства керамики: на рис. 7-19 показано, как изменяется величина тепло­ проводности при изменении содержания окиси бериллия от 97 до 99,8% (Л. 7-45]. К недостаткам бериллиевой ке­ рамики следует отнести токсичность исходного порошка окиси бериллия, впрочем, полностью устраняющуюся после спекания, и значительную по сравнению с другими типами керамики стоимость.

Готовые керамические детали в нужных местах метал­ лизируют. Сначала при температуре 1 400—1 600 °С вжитают в атмосфере влажного водорода молибденомартанцевую пасту, содержащую 60—80% молибдено­ вой пудры, затем покрывают слоем эвтектического спла­ ва серебро — медь п наконец слоем золота толщиной 2—

343