DE1496673B2 - - Google Patents

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Description

Das Beeinflussen und Passivieren von Halbleiteroberflächen ist von großem Interesse für die Halbleiterindustrie. Ein besonders interessantes Gebiet ist dabei die Einkapselung mit Hilfe von Glas, so daß alle Verbindungsstellen versiegelt und durch eine Glasschicht geschützt sind. Die Verfahren der Glasverkapselung können in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich solche, bei denen das Glas aufgebracht wird, nachdem die elektrischen Kontakte am Halbleiterbauelement angebracht sind und solche Verfahren, bei denen das Glas aufgebracht wird, bevor die elektrischen Kontakte angebracht wurden. :
Bei beiden Verfahren haben sich Schwierigkeiten ergeben,: Glassorten,'die. geeignete Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, hab en entsprechend hohe Schmelztemperaturen, bei denen die Kontakte und Leitungen am Halbleiterbauelement während des Abdichtens und Schmelzens aufgelöst und abgeschmolzen werden könnten. Es wurden auch schon Halbleiterbauelemente hergestellt, bei denen Bleiborat-Gläser mit niedrigen Schmelztemperaturen und hohen Ausdehnungskoeffizienten verwendet wurden. Der Unterschied in den Temperaturausdehnungsanpassungen zwischen den Glassorten und dem Halbleitermaterial ist dabei jedoch so groß, daß sich nun Schwierigkeiten in der Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente ergeben.
Das Aufbringen von Glas vor dem Befestigen der Kontakte hat sich deshalb als wenig befriedigend erwiesen, weil bisher kein geeignetes Verfahren zum Aufbringen des Glases verfügbar war. Ein selektives Ätzen, und zwar mit Hilfe eines Photoresistverfahrens, durch einen. kontinuierlichen und relativ dicken Glasfilm hindurch, um so Öffnungen für die Kontaktflächen zu schaffen, hat sich in-der Praxis im Hinblick auf Schwierigkeiten als nicht brauchbar erwiesen, die darauf zurückzuführen sind, daß im Glasfilm hinterschnittene Durchtritte entstehen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe ein Glasfilm einer vorbestimmten geometrischen Form auf eine Oberfläche eines Halbleiterbauelements aufgebracht werden kann. Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren zum Aufbringen von Glas in vorgegebener geometrischer. Verteilung, durch Abtragung bestimmter Flächenbereiche des Glases unter Verwendung einer Photoresistmasse gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zunächst das Halbleiterbauelement mit einer aus Glaspulver und der Photoresistmasse bestehenden Paste beschichtet wird, daß diese Schicht entsprechend der vorgegebenen geometrischen Verteilung belichtet und dann mit einem Entwickler behandelt wird, um die Schicht an denjenigen Stellen zu entfernen, an denen kein Glas verbleiben soll, und daß schließlich die verbleibenden Teile der Schicht auf eine solche Temperatur erhitzt werden, daß die Photoresistmasse verbrennt und das Glaspulver schmilzt.
Infolge des selektiven Aufbringens läßt sich der Glasfilm auf einem Halbleiterbauelement oder einer integrierten Schaltung od. dgl. erzeugen, bevor elek- So irische Kontakte und eventuell benötigte Verbindungsleitungen angebracht werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Schnitt durch ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Halbleiterbauelement, wobei die sich ergebende Glasschicht und ein Kontakt zu sehen sind, der in einer öffnung der Glasschicht abgelagert wurde.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen aus Silizium. Die Glasschicht kann dabei irgendeine beliebige Form aufweisen, so daß die Flächen des Halbleiterkörpers, die für die elektrischen Kontakte benötigt werden, vollständig frei bleiben.
Für die Durchführung des Verfahrens wird ein Brei aus Glaspulver und einem Photoresist-Polymer zubereitet. Unter Verwendung dieses Breies und einer entsprechenden Maske wird nun in Art eines üblichen Fotomaskierungsverfahrens eine Schicht aus Glas und Photoresistmasse auf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers abgelagert. Die beschichtete Vorrichtung wird dann belichtet und mittels eines Entwicklers so behanddelt, daß sich eine durch die Fotomaske gegebene geometrische Gestalt der verbleibenden Schicht ergibt. Das Halbleiterbauelement wird dann in einen Ofen mit einer durchströmenden Sauerstoffatmosphäre gebracht und einer solchen Temperatur unterworfen, daß das Glas schmilzt. Dabei wird die Photoresistmasse abgebrannt und das Glas auf die Oberfläche des Halbleiterbauelements aufgeschmolzen.
Die Verwendung eines Glases mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten in der Nähe des Koeffizienten des Halbleiters bzw. des Siliziums ist erwünscht. Blei-Bor-Silikat-Glas entspricht fast dieser Forderung. Dieses kann zwischen 725 bis 925 0C aufgeschmolzen werden, eine Temperatur, bei der keine Wanderung von Übergängen in Halbleitern auftritt.
Vor dem Zubereiten des Glas-Photoresist-Breies wird das Glas in feine Partikeln gemahlen. Hierzu wird das Glas in harten Polyäthylengefäßen unter Verwendung von extra harten Aluminiumoxidkugeln ungefähr 20 Stunden gemahlen, wobei Methylalkohol als Fließmittel benutzt wird.
Ein Mahlen in einer Porzellankugelmühle muß möglichst vermieden werden, da die sich hierdurch ergebende Al2O3-Verschmutzung den Glasfluß während des Schmelzens beeinträchtigt. Die Größe der Glaspärtikeln ist wichtig, da große Teilchen große Klumpen an der Oberfläche des Glasfilms ergeben. Bei einer Prüfung der 20 Stunden lang gemahlenen Partikeln wurde festgestellt, daß mehr als 90% derselben feiner als 2,5 μ und mehr als 50 % feiner als 1,7 μ waren. Die Partikelgröße hängt von der Größe und Zahl der Kugeln, der Größe des Gefäßes und der Glasmenge ab.
Ein Mahlen in Polyäthylenbehältern mit extra harten 96% Aluminiumoxid enthaltenden Mahlkugeln verhindert größtenteils eine Aluminiumoxidverschmutzung des Glaspulvers, doch wird Polyäthylen dem Glaspulver zugefügt. Hierdurch ergibt sich keine allzu große Schwierigkeit, da Polyäthylen in heißem Xylol schwach löslich ist. Nach dem Mahlen wird der Methylalkohol abgefiltert. Das Glaspulver wird dann in ein Becherglas eingebracht, das ungefähr zu 90 % mit Xylol gefüllt ist. Das Glaspulver wird nun in das Xylol eingerührt, und eine mit einem Glashaken versehene Stange, die durch einen Motor angetrieben wird, hält nun die Suspension während einer 48 Stunden dauernden Auslaugperiode bei 85°C in Bewegung. Ohne diese Auslaugoperation wird die Glaspaste beim Erwärmen infolge des Verkohlens des Polyäthylens braun. Hierdurch würde der Glasfilm dann ungünstig beeinflußt werden.
Nach dem Auslaugen wird das Xylol abfiltriert,
und zwar unter Verwendung einer großen-Glasfritte und unter Anwendung eines Saugzuges, während mehrere Male mit heißem Xylol gespült wird. Das Glaspulver wird dann in einem pastenartigen Zustand belassen. Irgendwelche Versuche, das Glas vollständig zu trocknen, ergeben nur Agglomerate, die dann durch erneutes Mahlen wieder zerbrochen werden müßten.
Da aus diesem Grund das Glaspulver nicht befriedigend getrocknet werden kann, ist es notwendig, daß jedesmal eine konsistente Glaspaste entsteht; hierzu wird wie folgt vorgegangen:
1. Es wird alle sichtbare Flüssigkeit aus dem Mahlgut abgesaugt;
" 2. Die Glaspaste wird dann in eine zuvor gewogene Vorratsflasche eingebracht, die mit einer Kappe verschlossen wird. Die Flasche wird dann kräftig
■ geschüttelt, um eine homogene Paste zu erhalten.
3. Eine Probe der Paste wird dann in ein vorgewogenes Wägeglas eingefüllt und dieses sofort mit einer Kappe versehen. Darauf wird das Gewicht der entnommenen Glaspaste festgestellt und das Xylol durch Verdampfung bei 100° C während einer Zeitdauer von 16 Stunden entfernt. Die trockene Probe des Glaspulvers wird dann nochmals gewogen, so daß der ursprüngliche Anteil von Xylol in der Paste berechnet werden kann.
4. Der prozentuale Anteil von Xylol in der Vorratsflasche kann dann auf die gewünschte Höhe eingestellt werden, die sich dadurch ergibt, daß der Brei im Augenblick seiner Verwendung nicht mehr als 20 Gewichtsprozent Xylol enthalten sollte.
5. Periodische Wägungen zeigten, daß der Verdampfungsverlust bei Raumtemperatur die Konzentration nicht ernstlich beeinflußt, wenn die Vorratsflasche nur so lange offen gehalten wird, als zu wiegende Glaspastenproben herausgenommen werden. Es hat sich ergeben, daß ungefähr 5 °/o des vorhandenen Xylols bei Raumtemperatur während einer Prüfdauer von 2 Stunden verdampften.
len, bis etwa vorhandene Glasagglomerate aufbrechen. Die hohe Viskosität des Breies verhindert eine erhebliche Al2O3-Verschmutzung und eine bedeutsame'Reduktion der Partikelgröße. Der Brei muß vor dem
■'5 Mahlen ziemlich gleichmäßig sein, da sonst eventuell vorhandene große Klumpen von Glaspulveragglomeraten nicht zertrümmert werden. <
Das Aufbringen und Verteilen des Breis auf das Halbleiterbauelement geschieht durch schnelles Drehen oder Schleudern des Halbleiterbauelements.' Infolge der hohen Viskosität des Breies ist eine hohe Geschwindigkeit in der Größenordnung von 6000 Umdrehungen pro Minute erforderlich. Anschließend an das Schleudern wird das Bauelement bei 150°C im Vakuum 5 Minuten getrocknet, ehe es belichtet wird. Infolge des suspendierten Glaspulvers ist die Belichtungszeit für den Brei länger als für die reine Photoresistmasse.
Die Zeitdauer des Aufsprühens und die Menge des aufgesprühten Entwicklers sind beide größer als' für das reine Photoresistmaterial. Die Entwicklersprühdüse muß unter einem bestimmten Winkel zu den nicht belichteten Oberflächenbereichen angeordnet sein, um so ein Ausschwemmen der Glasteilchen auch aus kleinen Oberflächengebieten zu erreichen.
Nach der Entwicklung werden die Bauelemente vor dem Brennen getrocknet. Wenn sie nicht vollständig trocken sind, fangen sie beim Einführen in eine Sauerstoffatmosphäre von 500° C Feuer, so daß sich ein unterbrochener Glasfilm ergibt.
Über die Übergänge im Halbleitermaterial und dessen Oberfläche sollte zweckmäßig eine Abdeckung aus einem thermisch erzeugten Siliziumoxidfilm aufgebracht werden, ehe der Glasfilm aufgebracht wird.
Über dem Oxidfilm bildet das Blei-Bor-Silikat-Glas einen durchsichtigen, glasigen Film. Wenn jedoch der Glaspulverbrei unmittelbar auf das Halbleiterbauelement aufgebracht wird, so wirkt das Silizium auf das Glas so ein, daß dieses dunkel gefärbt wird. Zweckmäßigerweise brennt man das Halbleiterbauelement 10 Minuten lang bei 800°C, so daß sich ein Siliziumoxidfilm von mindestens 7000 Angström Dicke ergibt.
Zur Herstellung des Breies wird ein Photoresistmaterial verwendet, dessen Viskosität durch Verdampfen erhöht wird, bis es ungefähr die l,15fache Viskosität des Ausgangsmaterials hat. Die Breimischung wird dann dadurch hergestellt, daß vorzugsweise 35 Gewichtsprozent Glas, 45 Gewichtsprozent Photoresistmaterial und 20 Gewichtsprozent Xylol gemischt werden. Dieser Brei bildet eine über Wochen stabile Suspension. Dies ist insofern von Vorteil, als mit einer Charge des Breis während einer langen Zeitperiode konsistente Glasfilme mit höchstens kleinen Änderungen hergestellt werden können.
Vor dem Mischen mit dem Photoresistmaterial wird die einen bekannten Prozentsatz von Xylol enthaltende Glaspaste gewogen und, falls eine dünnere Paste erforderlich ist, durch Zufügen von Xylol verdünnt. Das Photoresistmaterial wird in die Paste eingerührt, und der Brei wird dann von dem Wägeglas in eine kleine Porzellankugelmühle überführt. Das Wiegen und Mischen muß dabei bei einem Licht durchgeführt werden, für das das Photoresistmaterial unempfindlich ist. Der Brei wird dann in einer kleinen Kugelmühle mit besonders harten Aluminiumoxidkugeln (Durchmesser 12,7 mm) bei 150 Umdrehungen pro Minute 24 Stunden lang oder eine solche Zeit gemah-

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufbringen eines Glasfilms auf vorbestimmte Flächenabschnitte eines Halbleiterbauelements in vorgegebener geometrischer Verteilung unter Verwendung einer Photoresistmasse, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Halbleiterbauelement mit einer Paste aus Glaspulver sowie der Photoresistmasse beschichtet wird, daß diese Schicht entsprechend der vorgegebenen geometrischen Verteilung belichtet und dann mit einem Entwickler behandelt wird, um die Schicht an denjenigen Stellen zu entfernen, an denen kein Glas verbleiben soll, und daß schließlich die verbleibenden Teile der Schicht auf eine solche Temperatur erhitzt werden, daß die Photoresistmasse verbrennt und das Glaspulver schmilzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Belichtung der Schicht eine der vorgegebenen geometrischen Verteilung entsprechende Maske verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Trocknung der aufgebrachten Schicht im Vakuum bei ungefähr 150°C während ungefähr 5 Minuten vor dem Belichten.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbrennen der Photoresistmasse in einer Sauerstoffatmosphäre erfolgt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glaspulver verwendet wird, das durch Zermahlen von Glas in einem harten Polyäthylenbehältei mittels harter Aluminiumoxidkugeln unter Zugabe von Methanol gewonnen wird, daß das Methanol von diesem Glaspulver abgefiltert und das letztere in einem zu 90 Volumprozent mit Xylol gefüllten Behälter während ungefähr 48 Stunden mit dem Xylol verrührt wird, worauf Glaspulver und Xylol insbesondere durch eine grobe Glasfritte unter mehrmaligem Nachspülen mit heißem Xylol voneinander getrennt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 35 Gewichtsprozent des Glaspulvers mit ungefähr 45 Gewichtsprozent Photoresistmasse und ungefähr 20 Gewichtsprozent Xylol zur Herstellung der Paste miteinander vermischt werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Glaspulvers, bei dem 90% der Glasteilchen einen Durchmesser kleiner als 2,5 μ aufweisen.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Bleiborsilikat-Glases für das Glaspulver, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient ähnlich demjenigen des Halbleitermaterials des Halbleiterbauelements ist und das einen Schmelzpunkt zwischen 725 und 925 0C hat.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbrennen der Photoresistmasse bei einer Temperatur zwischen 725 und 925° C vorgenommen wird.
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