Землянский А. И. –  ВГТУ, аспирант.

Марченко О. В. – ОАО «НИИЭТ», начальник лаборатории.

Зенин В. В. – ВГТУ, профессор кафедры полупроводниковой электроники и наноэлектроники, д.т.н., профессор.

 

Покрытия кристаллов карбида кремния для сборки силовых полупроводниковых приборов

 

Аннотация Рассмотрены Ag, Ni и Al покрытия кристаллов карбида кремния под сборочные операции. Проведен анализ данных покрытий контактных площадок под пайку кристаллов и монтаж внутренних выводов

 

Ключевые слова  кристаллы карбида кремния, покрытия

 

В настоящее время диоды Шоттки на основе SiC являются основными приборами для систем питания от солнечной энергии. Благодаря общему увеличению эффективности систем с диодами Шоттки на SiC, многие производители оборудования для преобразования солнечной энергии в электрическую используют SiC в своих разработках. Инверторы с кремниевыми устройствами обычно работают со средним КПД около 96 %, а на основе карбида кремния – 97,5%, что обеспечивает снижение потерь в инверторе на 25%. Такие солнечные системы рассчитаны на работу в течение минимум 30 лет, поэтому получается значительная экономия электроэнергии, а сами системы становятся более надежными вследствие уменьшения рабочих температур [1].

Для обеспечения работоспособности приборов на основе SiC-кристаллов при высокой температуре необходимо создать надежные электрические контакты. Это связано с тем, что при температуре выше 500 0С металлизация контактов деградирует из-за взаимной диффузии между слоями и композиционных микроструктурных изменений на границе металл-полупроводник. Это приводит к выходу прибора из строя [2].

В работах [3, 4] представлены схемы SiC диодов Шоттки с Ag, Ni и Al пленками под пайку кристаллов к основаниям корпусов и монтаж внутренних выводов к контактным площадкам кристаллов и траверсам корпусов. В связи с этим необходимо подробно рассмотреть свойства данных покрытий.

Вопросам применения алюминия и его сплавов в технологии металлизации полупроводниковых изделий посвящено большое количество публикаций как в отечественной, так и иностранной литературе. Удельное сопротивление алюминиевых пленок толщиной около 1,0 мкм при комнатной температуре составляет 2,7 – 3,3 мкОм´см, что практически совпадает с объемным удельным сопротивлением металла.

Исследования структуры и морфологии поверхностных слоев алю­миниевых пленок, полученных магнетронным методом, с помощью элект­ронной микроскопии проведены авторами [5]. После термообработки при 500 °С в течение 5 мин и 300 °С в течение 15 мин в атмосфере аргона на поверхности алюминиевых пленок возникают "бугры" высотой 0,8 мкм. Размер зерна при этом составляет в среднем 0,23 мкм. Увеличение температуры и времени термообработки вызывает возрастание количества и высоты "бугров". Термообработка металлизации Al + 1 % Si изменяет структуру слоя, плотность и размеры "бугров" так же, как и покрытий из чистого алюминия. В то же время присутствие в алюминиевых сплавах меди снижает степень миграции алюми­ния и препятствует образованию бугров.

Для создания покрытий с высокой электропроводностью и стабильной величиной переходного сопротивления в местах контактов используется серебрение. Например, в производстве полупроводниковых изделий серебро используется в качестве металлизации кристалла под пайку. В этом случае осуществляется напыление пленки серебра на пластину с кристаллами.

Серебряное покрытие формируется напылением в вакууме с применением методов магнетронного распыления серебряной мишени или термическим испарением серебра из тигля электронным лучом. Более предпочтительным является метод магнетронного распыления, который обеспечивает высокие адгезионные свойства напыляемой пленки. Этим методом получают качественные покрытия толщиной до 2 мкм с высокой производительностью, что является важным фактором в условиях серийного производства.

Никелевые пленки находят широкое применение в качестве технологического покрытия держателей микросборок взамен золотых покрытий. Они имеют хорошую свариваемость с алюминиевой микропроволокой методом ультразвуковой микросварки. Однако существенным недостатком пленок из чистого никеля является их низкая теплостойкость, поэтому данные покрытия применимы только при низкотемпературном монтаже элементов или при использовании защитной среды. При температуре нагрева порядка 250-300 °С на воздухе наблюдается интенсивный рост толщины пленки оксида никеля. Это приводит к резкому снижению воспроизводимости качества микросварных соединений, а при длительной термообработке к полной потере свариваемости.

Легирование никеля бором значительно повышает температурную стабильность сплава даже при малой концентрации бора, а микротвердость и хрупкость покрытия можно уменьшать путем отжига. Анализ структуры поверхности покрытий никель-бор с помощью растровой электронной микроскопии показал, что заметные изменения происходят только после термообработки образцов при температуре 400 °С в течение 30 мин и более. Наблюдается небольшое снижение пористости покрытия из-за протекания процессов пассивации поверхности. При температурах 450 и 500 °С и времени обработки от 15 до 30 мин происходит также слабая пассивация поверхности и заращивание пор, а после 45-60 мин обработки пассивация ускоряется, но наблюдается растрескивание поверхностного слоя покрытия и заметное увеличение зернистости, особенно после выдержки в течение 60 мин при 500 °С.

Микротвердость покрытия заметно снижается при термообработке в диапазоне 400-500 °С. Значительное снижение микротвердости наблюдается при температуре 500 °С и времени обработки более 30 мин, после 60 мин обработки значение ее достигает 3000-3200 МПа.

Анализ поверхностного слоя покрытия (толщиной 300 А) методом Оже-спектрального анализа показал, что при термообработке, начиная с 300 °С, происходит диффузия бора на поверхность, процесс которой значительно ускоряется с повышением температуры. Содержание бора при этом увеличивается со временем термообработки. Временная зависимость является более сложной, т.к. сначала при 400-500 °С происходит пропорциональное увеличение (до 30 мин), затем увеличение концентрации бора замедляется, а при 500 °С и времени 45-60 мин намечается постепенное насыщение поверхности бором.

Таким образом, никель-бор покрытия на кристаллах SiC целесообразно использовать на операции напайки кристаллов на основания корпусов.

 

Список литературы

1. Мишель О,Нейл. Устройства на основе карбида кремния повышают КПД систем преобразования солнечной энергии // Силовая электроника, 2009, № 1, с. 12-13.

2. Васильев А.Г. СВЧ транзисторы на широкозонных полупроводниках: учеб. пособие / Васильев А.Г., Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. Москва: Техносфера, 2011. – 256 с.

3. Грехов И.В. Высоковольтные (900 В) 4H-SiC диоды Шоттки с охранным p-n-переходом, изготовленным имплантацией бора / И.В. Грехов, П.Л. Иванов, Н.Д. Ильинская, О.И. Коньков, А.С. Потапов, Т.П. Самсонова // Физика и техника полупроводников. – 2008. – Т. 42. – Вып. 2 – С. 211 – 214.

4. Ravi K. High Voltage Ni/4H-SiC Schottky Rectifiers / K. Ravi Chilukuri, B. Jayant Baliga // Power Semiconductor Research Center North Carolina State University. – 1999. – P. 161 – 164.

5. Егоров Б.А., Лысовол Б.Г., Пекишев И.Н. и др. Эффективный способ создания алюминиевой металлизации ИС. - Электронная промышленность, 1982, вып.4, с.59-61.