Для получения защитной плёнки пластины кремния или германия помещают в рабочую камеру и пропускают через нее кислород и аргон в течение 15-30 минут для очистки камеры от воздуха и влаги. Затем через пластину пропускают аргон, насыщенный SiCl4 со скоростью 0,06 м3/ч и озон со скоростью 0,02 м3/ч. Процесс проводят в течение от 1 до 5 часов в зависимости от требуемой толщины плёнки. Скорость нанесения защитной плёнки 5 мкм/ч.
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.