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        系統(tǒng)級封裝用高阻區(qū)熔硅制備技術(shù)研究

        2019-09-09 13:33:49吳華
        數(shù)碼世界 2019年6期
        關(guān)鍵詞:棒料單晶器件

        吳華

        摘要:在后摩爾時代,系統(tǒng)級封裝在智能手機、便攜電子等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所謂“一代材料、一代器件、一代系統(tǒng)”,近年來系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展離不開IPD技術(shù)的支撐。而我國高阻區(qū)熔硅材料產(chǎn)業(yè)做為整個產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ),也要為硅基薄膜IPD技術(shù)的自主可控提供有力的保障。目前、國際上高端大尺寸區(qū)熔硅材料的技術(shù)主要掌控在國外幾家大公司手上,再加上中美貿(mào)易戰(zhàn)的陰云揮之不散,消除瓶頸已經(jīng)刻不容緩。

        關(guān)鍵詞:區(qū)熔硅IPD摩爾定律SIP

        引言

        隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸不斷縮小,器件密度逐漸增多,相應(yīng)的搭配CMOS等器件的無源元件需求量也迅速增加。據(jù)統(tǒng)計,隨著電子系統(tǒng)的強大,使用的無源元件越來越多。這些無源元件幾乎全是表面貼裝器件(SMD),占據(jù)著90%多的系統(tǒng)元件、80%多的系統(tǒng)電路板面積以及超過70%的系統(tǒng)成本。如果這些無源元件能夠從現(xiàn)在的毫米量級的厚膜技術(shù)小型化為微米量級的薄膜技術(shù),那么將會使得無源系統(tǒng)的面積減小1000倍,成本也會大幅降低。

        為解決這個問題,實現(xiàn)“將電腦縮小進手機”的夢想,無源器件集成(IPD)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。在數(shù)字、模擬混合系統(tǒng)模塊中往往存在著很多分立無源器件,不僅占用基板面積,而且影響系統(tǒng)集成度。傳統(tǒng)PCB基板只起到支撐和電互連作用,IPD技術(shù)則可以將無源器件集成到襯底內(nèi)部,形成功能化襯底。將IPD功能化襯底與有源器件封裝在一起,IPD技術(shù)還與先進的SIP技術(shù)高度兼容,可進一步成功能復(fù)雜的專用電子產(chǎn)品。

        1IPD技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀簡介

        IPD技術(shù)可以厚膜集成和薄膜集成兩個方向。低溫共燒陶瓷(LTCC)是厚膜IPD的典型代表,廣泛運用在民航客機、通信基站中。然而LTCC基板燒結(jié)過程中容易產(chǎn)生熱形變,難以預(yù)置無源元件,而且公差情況不佳,集成度有待提高;另外900度左右的燒結(jié)溫度,也給埋置IC芯片等有源芯片帶來極高的難度,難以實現(xiàn)有源元件和無源元件的混合集成。

        而薄膜IPD技術(shù)主要基于集成電路產(chǎn)業(yè),與光刻、CVD沉積、磁控濺射等工藝高度兼容,能提供優(yōu)良的器件精度和功能密度。常用的襯底材料以高阻區(qū)熔硅為主,其產(chǎn)品成熟、熱導(dǎo)率良好,因此大量應(yīng)用于IPD技術(shù)中。

        然而,集成電路用直拉硅單晶材料的電阻率較低,在微波頻段會造成較大的介質(zhì)損耗。近年來,隨著單晶硅制備工藝的進步,可以通過區(qū)熔法或外延工藝獲得電阻率高于2500Ω.cm的高阻硅,其可以滿足高頻微波信號的傳輸?shù)男枨蟆?/p>

        2高阻區(qū)熔硅制備技術(shù)簡介

        近年來,IPD和SIP技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶動了高阻區(qū)熔硅材料市場的發(fā)展。目前,IPD和SIP技術(shù)所需要的區(qū)熔硅主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

        區(qū)熔法又稱Fz法(Float-Zone method),即懸浮區(qū)熔法,于1953年由Keck和Golay兩人將此法用在生長硅單晶上。區(qū)熔法是利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生一熔區(qū),再熔接單晶籽晶。調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動,通過整根棒料,生長成一根單晶,其晶向與籽晶的相同。區(qū)熔法又大致可以分為兩種:即水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。前者主要用于鍺、砷化鎵等材料的提純和單晶生長。后者主要用于硅單晶的生長。這是由于硅熔體的溫度高,化學(xué)性能活潑,容易受到異物的玷污,難以找到適合的坩堝,不能采用水平區(qū)熔法。區(qū)熔硅單晶由于在它生產(chǎn)過程中不使用石英坩堝,氧含量和金屬雜質(zhì)含量都遠(yuǎn)小于直拉硅單晶,因此它主要被用于制作高壓元件等領(lǐng)域,如可控硅、整流器等,其區(qū)熔高阻硅單晶(一般電阻率為幾千Ω以至上萬Ω)則可用于制作探測器件。

        區(qū)熔硅單晶的生長過程包括:

        第一、原料的準(zhǔn)備:將高質(zhì)量的多晶硅棒料的表面打磨光滑,然后將一端切磨成錐形,再將打磨好的硅料進行腐蝕清洗,除去加工時的表面污染。

        第二、裝爐:將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將準(zhǔn)備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。

        第三、關(guān)上爐門,用真空泵排除空氣后,向爐內(nèi)充入惰性氣體(氮氣或氫與氮的混合氣等),使?fàn)t內(nèi)壓力略高于大氣壓力。

        第四、給射頻圈送上高頻電力加熱,使硅棒底端開始熔化將棒料下降與籽晶熔接。當(dāng)熔液與籽晶充分熔接后,使射頻線圈和棒料快速上升,以拉出一細(xì)長的晶頸,消除位錯。晶頸拉完后,慢慢地讓單晶直徑增大到目標(biāo)大小此階段稱為放肩。放肩完成后。轉(zhuǎn)入等徑生直到結(jié)束。區(qū)熔生長工藝區(qū)熔晶生長的難點在于:第一、電磁托力。高頻電磁場對熔區(qū)的形狀及穩(wěn)定性都有一定的影響,尤其當(dāng)高頻線圈內(nèi)徑很小時,影響較大。以至此種支撐力在某種程度上能與表面張力相當(dāng)。晶體直徑越大,電磁支撐力的影響就越顯著。第二、重力。重力破壞熔區(qū)的穩(wěn)定。當(dāng)重力的作用超過了支撐力作用時,熔區(qū)就會發(fā)生流熔,限制了區(qū)熔單晶的直徑。若無重力影響,F(xiàn)z法理論上可以生長出任何直徑的單品;第三、離心力。由晶體施轉(zhuǎn)引起離心力,主要影響固液界面的熔體。晶體直徑越大,影響愈大。因此大單晶制備需要找到用適宜的低轉(zhuǎn)速。

        區(qū)熔硅單晶的生長設(shè)備系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)設(shè)備、電力供應(yīng)及輔助設(shè)施構(gòu)成:機械設(shè)備包括晶體旋轉(zhuǎn)及升降機構(gòu),高頻線圈與晶棒相對移動的機構(gòu),硅多晶料的夾持機構(gòu)等;電力供應(yīng)包括高頻電源及其傳送電路各機械運行的控制電路。高頻電源的頻率為2~4MHz;輔助設(shè)施包括水冷系統(tǒng)和保護氣體供應(yīng)與控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。

        利用區(qū)熔法生長大直徑硅單晶比直拉法困難得多,要克服的主要問題是熔區(qū)的穩(wěn)定性。這可用“針眼技術(shù)”解決。另一項重大成就是中子嬗變摻雜,它使電力電子器件得到飛躍發(fā)展。區(qū)熔技術(shù)無法控制熔體對流和晶體/熔體邊界層厚度,因而電阻率的波動比直拉硅單晶大。高的電阻率不均勻性限制了大功率整流器和晶閘管的反向擊穿電壓,而利用中子嬗變摻雜可獲得摻雜濃度很均勻的區(qū)熔硅(簡稱NTD硅),從而促進了大功率電力電子器件的發(fā)展與應(yīng)用。區(qū)熔硅單晶的最大直徑為200mm,并已商品化。

        區(qū)熔硅單晶包括本征硅單晶和摻雜硅單晶。目前,區(qū)熔硅單晶的摻雜方法包括沉積法、硅芯摻雜法、溶液涂敷摻雜法、棒孔摻雜法、中子嬗變摻雜法和氣相摻雜法等,而氣相摻雜(Gas Doping,簡稱GD)和中子嬗變(Ncutron Transmutation Doping;簡稱NTD)是最常用的兩種方法。GD硅單品主要應(yīng)傳統(tǒng)電力電子器件領(lǐng)域,占區(qū)熔市場的60%左右具有高少子壽命高摻雜效低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢,但RRV較差,可導(dǎo)致率整流器和晶閘管的反向穿電壓降低。而中子嬗變摻雜硅單晶主要應(yīng)用于電站新能源汽車變壓變頻器件等領(lǐng)域,占區(qū)熔市場的40%左右,其具有豐常均勻的摻雜濃度,徑向電阻率分布也非常均勻,但是生產(chǎn)成本較高。

        參考文獻

        [1]劉勇,系統(tǒng)集成中的高阻硅IPD技術(shù)[J].電子與信息器件,2014,133(2):203-209,321.

        [2]馬宜德.我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在后摩爾時代的發(fā)展思考[J].當(dāng)代經(jīng)濟,2018,105(4):113-119,231.

        [3]黎明,安霞,基于高阻硅的毫米波IPD濾波器研究[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2012,25(4):193-201,121.

        [4]黎明,黃如,后摩爾時代大規(guī)模集成電路器件與集成技術(shù)[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2018,225(4):173-183,93.

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