二極管生產(chǎn)工藝

1、生產(chǎn)實(shí)習(xí)-專(zhuān)家講座二極管的生產(chǎn)工藝電子12-11206040124二極管生產(chǎn)工藝流程1. 二極管簡(jiǎn)介N型中照單晶，優(yōu)點(diǎn)是缺陷少，電阻率均勻性好，斷面電阻率均勻度一般在±5%以?xún)?nèi)，特別適合做大電流高電壓器件，也適合做工作頻率較高的器件。（相比之下，直拉單晶（CZ），因其含氧、碳量高，雜質(zhì)補(bǔ)償度高，電阻率均勻性差（±20%左右），主要用于拉制30.以下單晶，成本較低；區(qū)熔單晶（FZ）補(bǔ)償度低，氧、碳含量低，電阻率均勻性也較好（±10%），但由于位錯(cuò)較多，質(zhì)地較脆，僅適宜做一般功率器件。=6080.，電阻率分檔6070，VB=1100.7，7080.。無(wú)位錯(cuò)，位錯(cuò)密度5

2、00個(gè)/2，視為無(wú)位錯(cuò)。少子壽命P100s，壽命高說(shuō)明缺陷少，重金屬雜質(zhì)少。直徑4650，割40園。厚度0.360.38mm，精磨片。主要工藝流程：硅片檢查硅片去砂去油硅片微腐蝕硅片拋光閉管擴(kuò)Ga、Al氧化一次光刻磷擴(kuò)散真空燒結(jié)蒸發(fā)Al反刻鋁微合金磨角、腐蝕斜邊保護(hù)電照封殼高溫儲(chǔ)存打印產(chǎn)品測(cè)試產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)包裝入庫(kù)。2. 工藝流程2.1硅片檢查抽樣檢查硅片是否為N型，A針加熱時(shí)，A點(diǎn)電子擴(kuò)散到B點(diǎn)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，檢流計(jì)指針右偏，可判定硅片為N型，反之為P型。（或千分尺）檢測(cè)硅片厚度是否超標(biāo)，并進(jìn)行分檔，最好用氣動(dòng)量?jī)x（非接觸式）測(cè)量，可避免對(duì)硅片表面造成損傷。用放大鏡檢查所有硅片是否有劃痕、

3、裂紋。用四探針檢測(cè)電阻率，并進(jìn)行分檔。2.2硅片清洗1、去砂，超聲波（10004000w）水超16小時(shí)以上。2、去油，用有機(jī)溶劑超聲去油，此步驟可不用。使用工號(hào)清洗液去油（同時(shí)也有去金屬離子功能）。用號(hào)清洗液去油、蠟等有機(jī)物，效果非常好。配比為H2SO4：H2O2=1：1（體積比），去重金屬離子一般用號(hào)清洗液或王水。號(hào)清洗液配比H2O：H2O2：HCl=8：2：1。H2O2為強(qiáng)氧化劑；HCl是強(qiáng)酸，可與活潑金屬（Al、Zn）、金屬氧化物（CaO、Fe2O3）、硫化物（AlS）等作用，予以溶解，HCl還兼有絡(luò)合作用，鹽酸中的氯離子，可為Au3+、Pt+、Cu+、Ag+、Ni3+、Fe3+等提供內(nèi)

4、配位體，形成可溶性水的絡(luò)合物。王水，配比為HNO3：HCl=1：3（克分子比），體積比為1：3.6。王水不但能溶解較活潑的金屬和氧化物，而且還能溶解不活潑的Au、Pt等幾乎所有金屬。Au+HNO3+4HCl=HAuCl4+NO+2H2O ，AuCl4氯金酸根，也是一種可溶于水的絡(luò)離子。、號(hào)清洗液和王水處理硅片時(shí)，只需煮開(kāi)10分鐘左右，然后用DI水（高純水）沖凈，最后再用DI水煮5遍，大量DI水沖凈。DI（高純）水的電阻率8（25°C）。一般選用、號(hào)清洗液依次進(jìn)行清洗，或選用號(hào)、王水、號(hào)依次進(jìn)行清洗。2.3硅片拋光拋光目的：獲得光潔的硅片表面，以利獲得均勻的高質(zhì)量的SiO2層，便于光刻

5、開(kāi)窗，同時(shí)可獲得均勻的表面濃度、擴(kuò)散結(jié)深。平坦的PN結(jié)是提高器件開(kāi)關(guān)特性的重要條件，也是獲得雪崩電壓特性的必要前提。1）機(jī)械拋光（氧化鎂拋光）此方法，上世紀(jì)六、七十年代使用較普遍，現(xiàn)已淘汰，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生劃道，生產(chǎn)效率也低。2）絡(luò)離子拋光（屬化學(xué)機(jī)械拋光）拋光液配比為：H2O：（NH4）Cr2O7：Cr2O3=10升：100克：300克，Cr2O3（三氧化二鉻）磨料，（NH4）Cr2O7（重鉻酸銨）氧化腐蝕劑。3Si+2 Cr2O7-2+16H+3 SiO2 +4 Cr+3+8H2O硅被氧化成SiO2，易被磨去。此法優(yōu)點(diǎn)是拋光速度較快；缺點(diǎn)是易損傷硅片表面，且易產(chǎn)生二次缺陷，兩種拋光料對(duì)人體也有

6、一定損害。二十年前使用較普遍，現(xiàn)已基本淘汰。3）二氧化硅拋光（屬化學(xué)機(jī)械拋光）拋光液為SiO2的懸浮液中加入少量NaOH，制成PH值為911的堿性膠體溶液?？芍苯淤?gòu)買(mǎi)由專(zhuān)業(yè)廠家配制好的拋光液 。NaOH對(duì)硅起腐蝕作用，SiO2為磨料。主要反應(yīng)是Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 ，溶液中的Na2、SiO2在拋光過(guò)程中起化學(xué)腐蝕作用，使硅片表面生成硅酸鈉鹽，通過(guò)SiO2的膠體對(duì)硅片產(chǎn)生機(jī)械摩擦，隨之又被拋光液帶走，實(shí)現(xiàn)去除表面損傷層的拋光作用。拋光布為無(wú)紡布，用膠粘在下拋光盤(pán)上。4）化學(xué)拋光法拋光液配比：HNO3：HF：HAC（冰乙酸）=5：2：2腐蝕速度0.60.8m/s，因反應(yīng)

7、速度快，操作時(shí)，要不斷晃動(dòng)，使反應(yīng)均勻，并要在排風(fēng)罩下操作。生產(chǎn)PK管時(shí)，有時(shí)可用此法作簡(jiǎn)易拋光，拋光液配比為：HNO3：HF：HAC=10：1：2 ，腐蝕速度較慢約為23m/min。提示：做快速和高頻晶閘管時(shí)，一般先做拋光，后做一擴(kuò)（Ga、Al）。若擴(kuò)后濃度稍稍偏高一點(diǎn)，可做二次拋光，加以調(diào)整；若擴(kuò)后濃度偏高較多，則采用化拋加SiO2拋光法加以調(diào)整。2.4擴(kuò)散1、擴(kuò)散用雜質(zhì)源的選擇原則。（1）導(dǎo)電類(lèi)型要合適若要得到P型擴(kuò)散層，就應(yīng)選擇受主雜質(zhì)，如Ga（鎵）、B（硼）、Al（鋁）等；若要得到N型擴(kuò)散層，應(yīng)選擇施主雜質(zhì)，如P（磷）、Sb（銻）、As（砷）等。我們選用的受主雜質(zhì)通常有：純Al、Al

8、（NO3）3、Si 一Ga粉、Ga 2O3、B2O3、BN片等。選用的施主雜質(zhì)有POCl3、PCl3、P2O5等。（2）要考慮雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D的大小在同樣條件下，選用D大的雜質(zhì)有利于提高生產(chǎn)效率；先擴(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)D要比后擴(kuò)散雜質(zhì)的D小。如在1250°C的擴(kuò)散溫度下，B、Ga的D 比磷的D要小一些，這樣才能做到后擴(kuò)散雜質(zhì)時(shí)，不明顯改變先擴(kuò)散雜質(zhì)在硅中的分布。（3）擴(kuò)散掩蔽問(wèn)題是平面工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如用SiO2作掩蔽膜時(shí)，雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)比在硅中的擴(kuò)散系數(shù)小得多，否則起不到掩蔽作用。Al、Ga、In（銦）在SiO2中的D SiO2都比其在Si中的DSi大得多。故SiO

9、2對(duì)Al、Ga起不到掩蔽作用。有的單位先做氧化后擴(kuò)Ga、Al，其道理即在于此，且這樣做可能會(huì)阻止某些有害雜質(zhì)的摻入，有利于提高一擴(kuò)質(zhì)量。而P、As、Sb在SiO2中的D都比其在Si中的D小得多，如磷（P）僅為1/1000；B在SiO2中D也比其在Si中的D小得多，約為1/200 。故SiO2對(duì)P、B等可起到掩蔽作用，這就是掩蔽擴(kuò)散的基本原理。（4）應(yīng)選擇容易獲得純度高、有較高蒸氣壓，且使用期長(zhǎng)的雜質(zhì)源，如Ga源有純Ga、Ga2O3；Al源有純（5個(gè)9以上）Al、Al（NO3）3；B源有B2O3、BN、硼酸三甲脂；P源有P2O5、POCl3、PCl3等。（5）雜質(zhì)在硅中的固態(tài)溶解度要大于所需要的

10、表面濃度，如Al在硅中的固溶度為5×10182×1019-3 ，Ga在硅中的固溶度為1×10185×1019-3 ，B在硅中的固溶度為1×10205×1020-3 ，P在硅中的固溶度為5×10203×1021-3 。上述四種常用雜質(zhì)在硅中的固溶度均大于所需表面濃度。如要求Ga擴(kuò)散的表面濃度NS1為2×10175×1018-3，P擴(kuò)散的表面濃度NS2為5×10202×1021-3 。（6）盡量選用毒性較小的雜質(zhì)源如施主雜質(zhì)盡量用P（磷）、而不選用As（砷），因砷的毒性更大。要求

11、擴(kuò)散爐兩端必須配有良好的排風(fēng)系統(tǒng)。2、擴(kuò)散條件的選擇原則擴(kuò)散條件包括雜質(zhì)源、擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。選擇這些條件的總原則是：（1）否到達(dá)結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)量的要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括橫向和縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)主要指陰極門(mén)極圖形；縱向則主要指結(jié)深和濃度分布控制。（2）是否易于控制，即均勻性和重復(fù)性是否好。（3）對(duì)操作人員有無(wú)危害。2.5氧化本工序主要是要在Si片表面生長(zhǎng)SiO2層。二氧化硅在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中的作用做雜質(zhì)選擇擴(kuò)散的掩蔽膜，這是要介紹的主要內(nèi)容；做器件表面的保護(hù)膜；做器件斜邊的鈍化膜；氧化分為干氧氧化和濕氧氧化。干氧氧化的氧化層生長(zhǎng)機(jī)理：高溫下的氧分子與硅片表面的硅原子反應(yīng)，生成SiO2起始層

12、，其反應(yīng)式為Si+O2= SiO2 ，生長(zhǎng)的SiO2起始層阻止了氧分子（O2）與Si表面的直接接觸，氧分子只有以擴(kuò)散方式通過(guò)SiO2層，到達(dá)SiO2Si界面，才能與硅原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，使SiO2薄膜繼續(xù)增厚。這就是干氧氧化SiO2層生長(zhǎng)速率較慢的主要原因。濕氧氧化既有氧分子的氧化作用，又有水分子的氧化作用。水汽氧化的氧化層生長(zhǎng)機(jī)理：高溫下水汽與Si片接觸時(shí)，水分子與Si片表面的Si 原子反應(yīng)生成SiO2起始層，其反應(yīng)式為2H2O+Si=SiO2+2H2 ，此后，水分子與Si的反應(yīng)一般有兩種過(guò)程：一種是水分子擴(kuò)散過(guò)已生成的氧化層，在SiSiO2界面處與硅原子反應(yīng)使氧化層不斷增厚；另一

13、種是水分子先在SiO2表面生成硅烷醇（SiOH），其反應(yīng)式為H2O+Si+O+Si2（SiOH），生成的硅烷醇再擴(kuò)散過(guò)SiO2層到達(dá)SiSiO2界面處與Si原子反應(yīng)，使SiO2層繼續(xù)增厚。由于存在兩種氧化過(guò)程，因此，水汽氧化的速率比較快。2.6光刻晶閘管的生產(chǎn)中一般要做兩次光刻：第一次是刻二氧化硅層，稱(chēng)為一次光刻；第二次刻鋁，稱(chēng)為反刻。這兩次光刻的基本過(guò)程相同，只是工藝條件有一些差異，所不同的是腐蝕方法不一樣。光刻工藝是一種復(fù)印圖像同化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)。它先采用照相復(fù)印的方法，把光刻版上的圖形精確地復(fù)印在涂有感光膠的二氧化硅層或金屬蒸發(fā)層上，然后利用光刻膠的保護(hù)作用，對(duì)二氧化硅或金屬層進(jìn)行選

14、擇性腐蝕，從而在二氧化硅或金屬層上得到與光刻版相應(yīng)的圖形（負(fù)膠）。光刻中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及其解決辦法光刻中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題有浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔、小島等。浮膠原因：A、硅片不干凈，有油污，水汽等；硅片在空氣中放置過(guò)久；空氣濕度大（3060%為宜）。B、光刻膠存放時(shí)間太長(zhǎng)而變質(zhì)；膠膜不均勻或太厚。C、前烘或堅(jiān)膜時(shí)間不足或過(guò)度。D、曝光不足。E、顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。腐蝕氧化層時(shí)產(chǎn)生的浮膠原因：A、堅(jiān)膜不足。B、腐蝕液中氟化銨偏少，腐蝕液活潑性太強(qiáng)。C、腐蝕液溫度太高或太低。2.7合金燒結(jié)與微合金合金與燒結(jié)的目的是在金屬與半導(dǎo)體之間形成所需的金半接觸，金半接觸一般分為整流接觸和非整流接觸（歐姆接觸）

15、。所謂歐姆接觸，就是指金半接觸后不存在整流效應(yīng)，電壓與電流的關(guān)系曲線(xiàn)符合歐姆定律。良好的歐姆接觸應(yīng)滿(mǎn)足如下條件：電壓與電流的關(guān)系曲線(xiàn)呈線(xiàn)性且對(duì)稱(chēng)；接觸電阻盡可能低；有良好的沾潤(rùn)，能承受一定的機(jī)械力（既有一定的機(jī)械強(qiáng)度）。在硅整流二極管和晶閘管的制造中，陰極先蒸鋁后做微合金的工藝就是制作歐姆接觸的；而陽(yáng)極以鋁為過(guò)渡層，燒結(jié)鉬片（或鎢片）也是制作歐姆接觸的。整流接觸是指金半接觸后具有整流效應(yīng)（即具有單向?qū)щ娦裕┑慕佑|，如N+P結(jié)。我們以前用合金一擴(kuò)散法來(lái)制造晶閘管時(shí)，在PNP的一面P型層上燒結(jié)AuSb片來(lái)制作陰極，就是制作N+P結(jié)（J3結(jié)，N+P結(jié)），從而實(shí)現(xiàn)整流接觸。2.8真空鍍膜常用鎢絲或鉬舟

16、做加熱體，使被鍍金屬熔化并蒸發(fā)。鎢（W）的熔化溫度（341020）°C，蒸發(fā)溫度3309°C；鉬（Mo）的熔化溫度2617°C，蒸發(fā)溫度2533°C。而一般鍍膜材料的熔點(diǎn)和蒸發(fā)溫度一定要低于W和Mo的熔點(diǎn)和蒸發(fā)溫度，才能使用。電阻加熱鍍膜法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。缺點(diǎn)是真空度偏低，一般低于1×105mmHg，蒸鍍的金屬層易受加熱器等污染，鍍層質(zhì)量不高，膜厚較薄，一般在3m以下，且不易蒸鍍多層金屬。在高真空(106107 mmHg)室內(nèi)，利用經(jīng)高壓加速并聚焦的電子束直接打到蒸發(fā)源表面，使金屬熔化并蒸發(fā)。一般采用水冷式紫銅坩堝裝源，由于紫銅的熱

17、傳導(dǎo)性好，散熱快，鋁塊中心熔化時(shí)，邊緣仍呈固態(tài)，可避免源與坩鍋的反應(yīng)，保證蒸發(fā)物的純度。做擴(kuò)散雜質(zhì)源的Al 一定要用電子來(lái)蒸發(fā)，否則純度不夠。2.9斜邊造角斷開(kāi)PN結(jié)。將PN結(jié)邊緣表面磨出一個(gè)斜角，以降低表面電場(chǎng)強(qiáng)度，使PN結(jié)的擊穿首先發(fā)生在體內(nèi)而不是表面。正斜角的特點(diǎn)：角磨得越小，表面空間電荷區(qū)寬度拉得越長(zhǎng)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度越小，L>d，電壓擊穿首先發(fā)生在體內(nèi)。表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度不在PN結(jié)上，而是在低雜質(zhì)濃度一邊。角度越小，離PN結(jié)越遠(yuǎn)。結(jié)論：正斜角對(duì)空間電荷區(qū)沿表面的展寬是有利的，因而能降低表面電場(chǎng)強(qiáng)度，提高表面耐壓。斜面尺寸由低濃度向高濃度方向減小的磨角角度稱(chēng)為負(fù)斜角。負(fù)斜角的特點(diǎn)：90

18、°45°之間隨變小表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大。45°處表面電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值。在45°0°，隨變小表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度下降。因此高壓管必磨小負(fù)斜角。表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度不在PN結(jié)上而是在高濃度一側(cè)。2.10表面清洗與腐蝕二極管和晶閘管的耐壓特性，只有通過(guò)斜邊腐蝕和清洗才能表現(xiàn)出來(lái)表面清洗，磨完角的芯片（管芯）必須經(jīng)過(guò)去砂去油處理后，才能涂黑膠或直接做腐蝕。方法是水超和丙酮超。腐蝕方法及腐蝕原理。腐蝕方法有酸腐蝕法和堿腐蝕法，前者普遍適用，后者只適用于用鍍鎳浸錫工藝做的管芯或陰極、門(mén)極蒸多層金屬的管芯。2.11斜邊保護(hù)斜邊保護(hù)的作用：將裸露的PN結(jié)表面與外界隔離開(kāi)來(lái)，以保證斜邊表面狀態(tài)穩(wěn)定，減小表面漏電流，確保其長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。器件在保護(hù)后，其耐壓特性不應(yīng)下降，對(duì)于一些高壓器件來(lái)說(shuō)，也不應(yīng)發(fā)生邊沿處的表面放電現(xiàn)象（未保護(hù)前，不能在高壓下測(cè)試）。保護(hù)后，表面漏電流應(yīng)有所減小，并保持穩(wěn)定，尤其在高溫下，不應(yīng)有因保護(hù)層未做好而產(chǎn)生附加的高溫漏電流：保護(hù)層與硅（包括SiO2）應(yīng)有良好的結(jié)