GPP器件關鍵工藝設備制造技術研究

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質膜保護工藝手段的全部有源器件，是玻璃鈍化類器件的統稱。然而，由于玻璃鈍化工藝對結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部結構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、綜合性能優良、適合批量生產等方面有著顯著特性而備受青睞，目前已經廣泛應用于家用電器、電子儀表、精密設備、軌道交通、數據傳輸和通訊系統等領域，是國家政策鼓勵向高新技術產品方向發展的產業之一，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、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、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，燒結玻璃是對PN 結的保護、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。以往多采用機械式劃槽技術，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，因此現在多采用半導體平面刻蝕槽工藝技術，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 ，關鍵是控制好腐蝕速率。

2 GPP 器件關鍵工藝設備

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等工藝技術在半導體工藝技術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，刻蝕速率的控制與溫度等有著密不可分的關系，而刻蝕過程中又存在大量放熱等現象，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鍵制造技術。

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 ℃），因此如何快速穩定溫度就成為關鍵。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（根據放熱量可調節），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°循環溢流的結構，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，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＋晶圓公轉的方式，即晶圓安裝在可自轉的旋轉軸上，同時該旋轉軸安裝在一機械臂上，在晶圓自轉的同時機械臂帶動晶圓整體反方向做圓周運動，實現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。

（2）晶圓安裝在機械臂上的旋轉軸上，每個旋轉軸可安裝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，晶圓自轉機構通過電機、齒輪及旋轉軸實現片盒（晶圓）自轉，自轉轉速20～50 r/min。

3 結束語

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構、溫度控制、流場控制、晶圓運動控制對刻蝕工藝的影響。目前，該設備制造技術應用達50臺套以上，經過近4年的實際運行，實踐證明：該設備制造技術先進，性能穩定，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。