GPP器件關(guān)鍵工藝設備制造技術(shù)研究

曹秀芳

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

GPP 玻璃鈍化器件（Glassivation passivation parts）泛指引入或包含有結(jié)質(zhì)膜保護工藝手段的全部有源器件，是玻璃鈍化類器件的統(tǒng)稱。然而，由于玻璃鈍化工藝對結(jié)界面裸露于體外的平面類二極管應用效果更為顯著，并且已經(jīng)有著廣泛的應用，從而使GPP 逐漸成為“玻璃鈍化二極管”的代名詞。

二極管按照不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及制造工藝可以分為塑封二極管、GPP 玻璃鈍化二極管、玻封二極管和玻璃管二極管，由于GPP 玻璃鈍化二極管在其承受外界應力、外界冷熱沖擊力、耐高溫性、綜合性能優(yōu)良、適合批量生產(chǎn)等方面有著顯著特性而備受青睞，目前已經(jīng)廣泛應用于家用電器、電子儀表、精密設備、軌道交通、數(shù)據(jù)傳輸和通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域，是國家政策鼓勵向高新技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，有著極為廣闊的應用前景和市場前景。

1 GPP 二極管工藝制程

圖1為GPP 二極管制造主要工藝流程示意圖，包括晶片來料濕法清洗、磷預擴散、硼擴散及磷再分布、一次光刻、V 形溝槽刻蝕、SIPOS(Semi-Insulated Polycrystalline Of Silicon)半絕緣多晶硅保護膜淀積、玻璃涂布、二次光刻、光阻去除、玻璃燒結(jié)、LTO(Low Temperature Oxidation)低溫氧化層淀積、三次光刻、接觸面刻蝕、鍍鎳、鎳燒結(jié)、鍍金、電性測試。

圖1 GPP 二極管制造主要工藝流程

從以上流程可以看出，GPP 二極管的制程主要為三層保護膜的制作，其中SIPOS 起到束縛電子的作用，燒結(jié)玻璃是對PN 結(jié)的保護、SiO2是防止鎳層與玻璃的附著；而這三層保護膜的完成都是基于同一位置——晶圓V 形深溝槽中，由此可見溝槽的寬度、深度、形狀、均勻性等直接影響著玻璃覆層的附著及厚度，進而影響著GPP 二極管的性能參數(shù)。以往多采用機械式劃槽技術(shù)，采用高速砂輪劃V 型槽，由于易造成碎片，溝槽深度也有一定的限制，因此現(xiàn)在多采用半導體平面刻蝕槽工藝技術(shù)，即光刻掩膜后利用濕法腐蝕的原理刻蝕V 形槽。 V 型槽腐蝕液配比通常為硝酸∶氫氟酸∶冰醋酸=5∶5∶2，腐蝕溫度為－10 ℃～0 ℃，時間20～25 min（腐蝕時間隨槽深而確定），通常為100～120 μm ，關(guān)鍵是控制好腐蝕速率。

2 GPP 器件關(guān)鍵工藝設備

GPP 二極管主要工藝流程為溝槽制作及保護膜的制作，因此用到的設備主要有濕法清洗設備、擴散爐、光刻機、勻膠機、濕法刻蝕設備、LPCVD、劃片機等設備，由于擴散、光刻、LPCVD等工藝技術(shù)在半導體工藝技術(shù)中有著成熟的應用工藝，而濕法刻蝕設備屬于新的工藝技術(shù)，刻蝕速率的控制與溫度等有著密不可分的關(guān)系，而刻蝕過程中又存在大量放熱等現(xiàn)象，因此溶液的溫度會隨著腐蝕深度、腐蝕液的濃度、腐蝕時間等在不斷變化；晶圓片在腐蝕槽中不同的位置也會影響腐蝕溝槽的均勻性，因此如何控制溶液的溫度、溶液的流場、晶圓的運動等成為濕法刻蝕設備的關(guān)鍵制造技術(shù)。

2.1 溶液溫度的控制

由于腐蝕液溫度為-10 ℃～0 ℃，精度為±1 ℃，因此采用管路中制冷控制器與熱交換器的方式，即化學液使用循環(huán)泵從溢流槽打入到熱交換器中，與熱交換器中的冷媒進行交換控制溶液的溫度；然而當晶圓進入腐蝕液后與腐蝕液發(fā)生反應放出大量的熱量，導致溶液溫度迅速上升（5 ℃到8 ℃），因此如何快速穩(wěn)定溫度就成為關(guān)鍵。有一種采用兩級制冷控制的方法，即采用第一級制冷機與第二級制冷機同時控制，當檢測溫度有上升時立即切換為兩級同時控制，通常第二級制冷機冷媒的溫度較第一級制冷機冷媒的溫度低10 ℃左右（根據(jù)放熱量可調(diào)節(jié)），這樣可快速擬制溫度的上升，從而達到精確溫度控制的作用。

2.2 腐蝕液流場控制

腐蝕液的溫度決定著腐蝕的速率，然而腐蝕液在槽體中的流場也直接影響著晶圓腐蝕的均勻性。為此采用腐蝕槽四面360°循環(huán)溢流的結(jié)構(gòu)，另外在注入方式上采用底部盤管均勻小孔注入、盤管上帶勻流洞洞板的方式，溶液循環(huán)采用風囊泵最大程度減少溶液的脈動，從而保證溶液流場的均勻性。

2.3 晶圓運動控制

在腐蝕過程中，晶圓如果一直處于相對靜止的狀態(tài)，則前面溶液溫度控制及溶液流場的控制作用也會有所減弱，只有晶圓上各個點最大限度出現(xiàn)在槽體中各個位置，才能與上面的控制形成完善的組合控制。為此采用晶圓自轉(zhuǎn)＋晶圓公轉(zhuǎn)的方式，即晶圓安裝在可自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸上，同時該旋轉(zhuǎn)軸安裝在一機械臂上，在晶圓自轉(zhuǎn)的同時機械臂帶動晶圓整體反方向做圓周運動，實現(xiàn)晶圓最大限度地與槽體中溶液有效接觸，進而控制各個點的反應速率。詳細參數(shù)如下：

（1）槽體上面頂部安裝機械臂，伸到槽體部分的機械手臂全部用耐腐蝕材料包裹。機械臂既可做圓周運動，同時晶圓可自旋轉(zhuǎn)。

（2）晶圓安裝在機械臂上的旋轉(zhuǎn)軸上，每個旋轉(zhuǎn)軸可安裝2 個50 mm（2 英寸）片盒或1 個100mm(4 英寸)片盒。

（3）機械臂圓周運動采用直線導軌和伺服電機控制系統(tǒng)，晶圓自轉(zhuǎn)機構(gòu)通過電機、齒輪及旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)片盒（晶圓）自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速20～50 r/min。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了GPP 二極管工藝流程及工藝設備，著重闡述了V 形溝槽濕法刻蝕設備槽體的結(jié)構(gòu)、溫度控制、流場控制、晶圓運動控制對刻蝕工藝的影響。目前，該設備制造技術(shù)應用達50臺套以上，經(jīng)過近4年的實際運行，實踐證明：該設備制造技術(shù)先進，性能穩(wěn)定，安全可靠，工藝適應性強，可擴展應用于許多其他濕法刻蝕應用領(lǐng)域，例如MEMS 中深硅刻蝕、石英晶體酸刻蝕、硅基LED 襯底剝離等工藝。