Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Интернет-учебник / Особенности получения соединений в микроэлектронике

Интернет-учебник

Особенности получения соединений в микроэлектронике

Сварка в микроэлектронике

Быстрый рост микроэлектроники потребовал разработки большого числа принципиально новых полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных микросхем на основе непрерывного совершенствования технологии их изготовления и прежде всего новых способов получения контактов между полупроводниковыми кристаллами и металлическими пленками и проводниками. Электрические контакты разделяют на два класса: выпрямляющие и невыпрямляющие, или омические.

Омический контакт должен обладать минимальным сопротивлением. Иначе его сопротивление в приборах может заметно снизить отношение обратного сопротивления к прямому, что приведет к уменьшению КПД прибора.

Некоторое повышение сопротивления на границе раздела металл-полупроводник неизбежно, так как процесс получения контакта связан с образованием сложных металлических фаз, сопротивление которых всегда выше сопротивления чистых компонентов, входящих в их состав, что связано с дополнительным появлением дефектов кристаллической решетки и образованием парноэлектронных и химических связей.

Согласно теории запорного слоя, разработанной Шотки и Моттом, в зоне контакта металл-полупроводник может возникать выпрямляющий эффект. Во избежание появления этого эффекта значительное внимание необходимо уделять выбору контактирующих материалов. В случае электронной проводимости металлический проводник следует выбирать с работой выхода меньшей, чем у полупроводника, а в случае дырочной проводимости — с большей.

К сожалению, данных о связи между работой выхода металла контакта и его выпрямляющим действием для специально обработанных поверхностей полупроводниковых кристаллов кремния и германия нет. Известно, что выпрямление в зоне контакта металл-полупроводник в значительной мере может изменяться от условий обработки поверхности полупроводника и от способа получения контакта.

Для получения невыпрямляющего контакта поверхность полупроводника перед сваркой должна быть прошлифована таким образом, чтобы обеспечить наиболее тонкий слой нарушенной структуры. Согласно имеющимся сведениям, искажение структуры даже в самом тонком слое может заметно снизить механические свойства полупроводникового кристалла. Однако более совершенный способ еще не разработан.

Необходимо также учитывать, что дефекты в поверхностном слое полупроводникового кристалла могут не только вызывать ускорение процессов поверхностной или граничной диффузии в зоне контакта, но и существенно влиять на процессы диффузии примесей вглубь кристалла по дислокациям и микротрещинам, которые могут служить диффузионными каналами.

Существует ряд способов получения омического контакта между металлическими проводниками и полупроводниковыми кристаллами, которые применяют в зависимости от назначения и требований, предъявляемых к полупроводниковому прибору. По способу получения контакты могут быть: прижимные, полученные путем механического прижатия проводника к полупроводниковому кристаллу; паяные; вплавные; контакты, полученные с помощью паст и амальгам, нанесения покрытий (напыление в вакууме, химическое или электролитическое осаждение металла на полупроводниковый кристалл), контак-толов (электропроводных клеев), комбинации нескольких способов (например, осаждение в сочетании с пайкой).

Более распространенный способ получения контакта металл-полупроводник осуществляют с помощью нанесения тонкой металлической пленки на поверхность полупроводника. Технология нанесения таких пленок разработана достаточно хорошо и не вызывает каких-либо трудностей.

Нанесение пленок является лишь промежуточным технологическим циклом при создании прибора, так как в дальнейшем необходимо еще обеспечить присоединение металлических проводников к металлизированным поверхностям.

Для приборов с точечным контактом применяют метод вплав-ления, обеспечивающий одновременно создание запорного слоя и наличие металлического вывода из зоны перехода. Вплавление осуществляется с помощью специальных кассет, в которые укладывают полупроводниковые кристаллы и контактирующие с ними выводы, например кристаллы кремния и алюминиевые проводники. Всю систему помещают в печь с инертной атмосферой и нагревают до температуры, несколько превышающей температуру образования эвтектики контактирующих материалов. Спустя некоторое время, обеспечивающее заданную глубину проплавления, получают электронно-дырочный переход, после чего печь охлаждают. Длительность цикла охлаждения обычно выбирают такую, чтобы обеспечивались условия равновесия, что гарантирует высокое качество соединения.

Контакты, выполненные перечисленными способами, плохо работают при знакопеременных тепловых и механических нагрузках. Применение сварки при их изготовлении позволяет широко использовать элементы автоматизации, что резко повышает надежность полученных контактов при высокой производительности. Очевидно, поэтому появилась тенденция использовать сварку в качестве ведущего технологического процесса при изготовлении полупроводниковых приборов.

Способы сварки, применяемые для получения контактов между металлическими проводниками и полупроводниковыми кристаллами, развивались в двух направлениях: с образованием эвтектики между металлом и полупроводниковым материалом и с образованием соединения при температурах ниже температуры образования эвтектики.

Выбор способа получения соединения с помощью эвтектики обусловлен стремлением избежать высоких давлений и высоких температур в процессе присоединения металлических проводников к полупроводниковым кристаллам кремния. Этот способ заключается в следующем: соединяемые материалы, собранные в приспособлении, помещают в специальные печи и нагревают до температуры образования слоя эвтектической жидкости между ними, затем медленно охлаждают. Такой процесс известен как «реактивная пайка».

Достоинством этого способа является образование эвтектических смесей при сравнительно низких температурах плавления. При этом материалы свариваемых изделий полностью сохраняют после сварки свои исходные физико-химические свойства.

В работах по теории термокомпрессионной сварки всегда подчеркивался вывод о неприменимости способа реактивной пайки для получения соединения между полупроводниковыми материалами и металлами. Однако проведенные исследования показали, что тогда, когда можно контролировать процесс образования эвтектической фазы, способ реактивной пайки может быть применен для этой цели. Способ соединения полупроводника с металлом с помощью эвтектики при условии строгого контроля над процессом образования жидкой фазы получил название сварки-пайки или микросварки давлением.

Тем не менее появилась необходимость разработать технологию, исключающую нагрев свариваемых деталей до температур образования эвтектики в зоне контакта. Естественно предположить, что наиболее приемлемой для этих целей была бы холодная сварка. Однако этот способ сварки сопровождается взаимным течением контактирующих поверхностей и неприменим для непластичных материалов, к которым относится большинство полупроводниковых кристаллов. Холодная сварка неприменима и для тонких металлических пленок. Если учесть, что деформация полупроводниковых кристаллов, приводящая к образованию в них значительного числа дислокаций и других дефектов кристаллической структуры, недопустима, то можно предположить, что и другие способы сварки, сопровождающиеся повышенным давлением и нагревом кремния до пластичного состояния материалов, не могут быть применены.

В результате многочисленных исследований термокомпрессионная сварка, являющаяся по существу сваркой давлением в сочетании с нагревом до температур ниже температуры образования эвтектического состава, широко применяется для получения омического контакта между полупроводниковыми кристаллами и проводниками, в частности между кремнием и золотом.

Термокомпрессионная сварка позволяет присоединять к поверхности многих полупроводниковых кристаллов любые металлы. Качество сварного соединения зависит от величины давления на пуансон, времени выдержки и температуры процесса. Время сварки колеблется от нескольких секунд до нескольких минут.

Обязательным условием термокомпрессионной сварки является по возможности минимальная (10—30%) деформация металлического проводника, что объясняется стремлением не допустить образования в полупроводнике значительного количества дефектов и заметного уменьшения диаметра золотой проволоки в результате давления, что может привести к резкому снижению ее механических свойств. Процесс термокомпрессионной сварки можно осуществлять как на воздухе, так и в контролируемой среде.

Наилучшие результаты получены в формиргазе и в среде сухого водорода. Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки не нужны флюсы. Процесс может протекать при сравнительно низких температурах и малой деформации свариваемых материалов. Все это делает термокомпрессионную сварку наиболее перспективным методом получения контактов. Однако сравнительно большая продолжительность процесса сварки, высокая чувствительность к режиму, а также к форме и качеству подготовки соединяемых поверхностей обусловили необходимость его совершенствования.

Для приборов, работающих в условиях повышения температур, следует применять контактирующие пары, не образующие интерметаллических соединений. В этом случае для выводов используются алюминиевые проводники, а золотые проводники рекомендуется применять в случае присоединения их либо к золоченой поверхности, либо непосредственно к полупроводниковым кристаллам при температурах ниже образования эвтектики.

Хорошие результаты были получены при сварке проволочных золотых и серебряных выводов с полупроводниковыми кристаллами фосфида галлия.

К более производительным методам сварки можно отнести метод сварки с исчезающей прокладкой, разработанный в Институте электросварки им Е.О. Патона АН УССР, который основан на том, что между деталями помещают тонкую прокладку, образующую при сварке твердые растворы со свариваемыми материалами. При нагреве и повышении давления прокладка растворяется, т.е. происходит взаимная диффузия атомов прокладки и атомов свариваемых материалов. В результате между контактирующими поверхностями образуется прочное соединение.

Нагрев до высоких температур, составляющих 0,8 Тпл, необходимость применения вакуума и низкая производительность процесса пока не позволяют использовать диффузионную сварку в промышленном масштабе для получения контактов между полупроводниковыми кристаллами и металлическими проводникам.

Следует констатировать, что термокомпрессионная сварка является в настоящее время основным методом получения соединений в микроэлектронике.

Этот способ сварки можно с успехом применять при монтаже интегральных и гибридных микросхем. Он находит широкое применение при монтаже схем, не допускающих общего разогрева. Особенно широко этот способ применяется при выполнении внутрисхемных соединений тонкими проводниками в гибридных схемах и монтаже навесных элементов, имеющих гибкие выводы.

Преимуществами термокомпрессионной микросварки являются: возможность сварки прецизионных элементов с минимальной толщиной до 5мкм, относительно невысокая температура процесса, нечувствительность к небольшим изменениям параметров режима сварки (до ±10%), возможность групповой технологии соединения.

Основными недостатками метода можно считать небольшое количество хорошо свариваемых материалов, ограничение толщин свариваемых элементов (обычно не толще 0,13 мм), сильную зависимость качества соединений от состояния поверхности и невозможность сварки проводов в изоляции.

Область применения термокомпрессионной сварки широка: она является основным методом присоединения выводов к полупроводниковым пластинкам, используется для присоединения проволочных проводников к напыленным контактным площадкам микросхем и т.п.

Источник: Конюшков Г.В., Мусин Р.А. Специальные методы сварки давлением. Ай Пи Эр Медиа, 2009