GPP器件关键工艺设备制造技术研究

曹秀芳

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

GPP 玻璃钝化器件（Glassivation passivation parts）泛指引入或包含有结质膜保护工艺手段的全部有源器件，是玻璃钝化类器件的统称。然而，由于玻璃钝化工艺对结界面裸露于体外的平面类二极管应用效果更为显著，并且已经有着广泛的应用，从而使GPP 逐渐成为“玻璃钝化二极管”的代名词。

二极管按照不同的内部结构及制造工艺可以分为塑封二极管、GPP 玻璃钝化二极管、玻封二极管和玻璃管二极管，由于GPP 玻璃钝化二极管在其承受外界应力、外界冷热冲击力、耐高温性、综合性能优良、适合批量生产等方面有着显著特性而备受青睐，目前已经广泛应用于家用电器、电子仪表、精密设备、轨道交通、数据传输和通讯系统等领域，是国家政策鼓励向高新技术产品方向发展的产业之一，有着极为广阔的应用前景和市场前景。

1 GPP 二极管工艺制程

图1为GPP 二极管制造主要工艺流程示意图，包括晶片来料湿法清洗、磷预扩散、硼扩散及磷再分布、一次光刻、V 形沟槽刻蚀、SIPOS(Semi-Insulated Polycrystalline Of Silicon)半绝缘多晶硅保护膜淀积、玻璃涂布、二次光刻、光阻去除、玻璃烧结、LTO(Low Temperature Oxidation)低温氧化层淀积、三次光刻、接触面刻蚀、镀镍、镍烧结、镀金、电性测试。

图1 GPP 二极管制造主要工艺流程

从以上流程可以看出，GPP 二极管的制程主要为三层保护膜的制作，其中SIPOS 起到束缚电子的作用，烧结玻璃是对PN 结的保护、SiO2是防止镍层与玻璃的附着；而这三层保护膜的完成都是基于同一位置——晶圆V 形深沟槽中，由此可见沟槽的宽度、深度、形状、均匀性等直接影响着玻璃覆层的附着及厚度，进而影响着GPP 二极管的性能参数。以往多采用机械式划槽技术，采用高速砂轮划V 型槽，由于易造成碎片，沟槽深度也有一定的限制，因此现在多采用半导体平面刻蚀槽工艺技术，即光刻掩膜后利用湿法腐蚀的原理刻蚀V 形槽。 V 型槽腐蚀液配比通常为硝酸∶氢氟酸∶冰醋酸=5∶5∶2，腐蚀温度为－10 ℃～0 ℃，时间20～25 min（腐蚀时间随槽深而确定），通常为100～120 μm ，关键是控制好腐蚀速率。

2 GPP 器件关键工艺设备

GPP 二极管主要工艺流程为沟槽制作及保护膜的制作，因此用到的设备主要有湿法清洗设备、扩散炉、光刻机、匀胶机、湿法刻蚀设备、LPCVD、划片机等设备，由于扩散、光刻、LPCVD等工艺技术在半导体工艺技术中有着成熟的应用工艺，而湿法刻蚀设备属于新的工艺技术，刻蚀速率的控制与温度等有着密不可分的关系，而刻蚀过程中又存在大量放热等现象，因此溶液的温度会随着腐蚀深度、腐蚀液的浓度、腐蚀时间等在不断变化；晶圆片在腐蚀槽中不同的位置也会影响腐蚀沟槽的均匀性，因此如何控制溶液的温度、溶液的流场、晶圆的运动等成为湿法刻蚀设备的关键制造技术。

2.1 溶液温度的控制

由于腐蚀液温度为-10 ℃～0 ℃，精度为±1 ℃，因此采用管路中制冷控制器与热交换器的方式，即化学液使用循环泵从溢流槽打入到热交换器中，与热交换器中的冷媒进行交换控制溶液的温度；然而当晶圆进入腐蚀液后与腐蚀液发生反应放出大量的热量，导致溶液温度迅速上升（5 ℃到8 ℃），因此如何快速稳定温度就成为关键。有一种采用两级制冷控制的方法，即采用第一级制冷机与第二级制冷机同时控制，当检测温度有上升时立即切换为两级同时控制，通常第二级制冷机冷媒的温度较第一级制冷机冷媒的温度低10 ℃左右（根据放热量可调节），这样可快速拟制温度的上升，从而达到精确温度控制的作用。

2.2 腐蚀液流场控制

腐蚀液的温度决定着腐蚀的速率，然而腐蚀液在槽体中的流场也直接影响着晶圆腐蚀的均匀性。为此采用腐蚀槽四面360°循环溢流的结构，另外在注入方式上采用底部盘管均匀小孔注入、盘管上带匀流洞洞板的方式，溶液循环采用风囊泵最大程度减少溶液的脉动，从而保证溶液流场的均匀性。

2.3 晶圆运动控制

在腐蚀过程中，晶圆如果一直处于相对静止的状态，则前面溶液温度控制及溶液流场的控制作用也会有所减弱，只有晶圆上各个点最大限度出现在槽体中各个位置，才能与上面的控制形成完善的组合控制。为此采用晶圆自转＋晶圆公转的方式，即晶圆安装在可自转的旋转轴上，同时该旋转轴安装在一机械臂上，在晶圆自转的同时机械臂带动晶圆整体反方向做圆周运动，实现晶圆最大限度地与槽体中溶液有效接触，进而控制各个点的反应速率。详细参数如下：

（1）槽体上面顶部安装机械臂，伸到槽体部分的机械手臂全部用耐腐蚀材料包裹。机械臂既可做圆周运动，同时晶圆可自旋转。

（2）晶圆安装在机械臂上的旋转轴上，每个旋转轴可安装2 个50 mm（2 英寸）片盒或1 个100mm(4 英寸)片盒。

（3）机械臂圆周运动采用直线导轨和伺服电机控制系统，晶圆自转机构通过电机、齿轮及旋转轴实现片盒（晶圆）自转，自转转速20～50 r/min。

3 结束语

本文简要介绍了GPP 二极管工艺流程及工艺设备，着重阐述了V 形沟槽湿法刻蚀设备槽体的结构、温度控制、流场控制、晶圆运动控制对刻蚀工艺的影响。目前，该设备制造技术应用达50台套以上，经过近4年的实际运行，实践证明：该设备制造技术先进，性能稳定，安全可靠，工艺适应性强，可扩展应用于许多其他湿法刻蚀应用领域，例如MEMS 中深硅刻蚀、石英晶体酸刻蚀、硅基LED 衬底剥离等工艺。