系統(tǒng)級(jí)封裝用高阻區(qū)熔硅制備技術(shù)研究

吳華

摘要：在后摩爾時(shí)代，系統(tǒng)級(jí)封裝在智能手機(jī)、便攜電子等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所謂“一代材料、一代器件、一代系統(tǒng)”，近年來(lái)系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展離不開(kāi)IPD技術(shù)的支撐。而我國(guó)高阻區(qū)熔硅材料產(chǎn)業(yè)做為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)，也要為硅基薄膜IPD技術(shù)的自主可控提供有力的保障。目前、國(guó)際上高端大尺寸區(qū)熔硅材料的技術(shù)主要掌控在國(guó)外幾家大公司手上，再加上中美貿(mào)易戰(zhàn)的陰云揮之不散，消除瓶頸已經(jīng)刻不容緩。

關(guān)鍵詞：區(qū)熔硅IPD摩爾定律SIP

引言

隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸不斷縮小，器件密度逐漸增多，相應(yīng)的搭配CMOS等器件的無(wú)源元件需求量也迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著電子系統(tǒng)的強(qiáng)大，使用的無(wú)源元件越來(lái)越多。這些無(wú)源元件幾乎全是表面貼裝器件（SMD），占據(jù)著90%多的系統(tǒng)元件、80%多的系統(tǒng)電路板面積以及超過(guò)70%的系統(tǒng)成本。如果這些無(wú)源元件能夠從現(xiàn)在的毫米量級(jí)的厚膜技術(shù)小型化為微米量級(jí)的薄膜技術(shù)，那么將會(huì)使得無(wú)源系統(tǒng)的面積減小1000倍，成本也會(huì)大幅降低。

為解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“將電腦縮小進(jìn)手機(jī)”的夢(mèng)想，無(wú)源器件集成（IPD）技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。在數(shù)字、模擬混合系統(tǒng)模塊中往往存在著很多分立無(wú)源器件，不僅占用基板面積，而且影響系統(tǒng)集成度。傳統(tǒng)PCB基板只起到支撐和電互連作用，IPD技術(shù)則可以將無(wú)源器件集成到襯底內(nèi)部，形成功能化襯底。將IPD功能化襯底與有源器件封裝在一起，IPD技術(shù)還與先進(jìn)的SIP技術(shù)高度兼容，可進(jìn)一步成功能復(fù)雜的專用電子產(chǎn)品。

1IPD技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

IPD技術(shù)可以厚膜集成和薄膜集成兩個(gè)方向。低溫共燒陶瓷（LTCC）是厚膜IPD的典型代表，廣泛運(yùn)用在民航客機(jī)、通信基站中。然而LTCC基板燒結(jié)過(guò)程中容易產(chǎn)生熱形變，難以預(yù)置無(wú)源元件，而且公差情況不佳，集成度有待提高;另外900度左右的燒結(jié)溫度，也給埋置IC芯片等有源芯片帶來(lái)極高的難度，難以實(shí)現(xiàn)有源元件和無(wú)源元件的混合集成。

而薄膜IPD技術(shù)主要基于集成電路產(chǎn)業(yè)，與光刻、CVD沉積、磁控濺射等工藝高度兼容，能提供優(yōu)良的器件精度和功能密度。常用的襯底材料以高阻區(qū)熔硅為主，其產(chǎn)品成熟、熱導(dǎo)率良好，因此大量應(yīng)用于IPD技術(shù)中。

然而，集成電路用直拉硅單晶材料的電阻率較低，在微波頻段會(huì)造成較大的介質(zhì)損耗。近年來(lái)，隨著單晶硅制備工藝的進(jìn)步，可以通過(guò)區(qū)熔法或外延工藝獲得電阻率高于2500Ω.cm的高阻硅，其可以滿足高頻微波信號(hào)的傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2高阻區(qū)熔硅制備技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，IPD和SIP技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶動(dòng)了高阻區(qū)熔硅材料市場(chǎng)的發(fā)展。目前，IPD和SIP技術(shù)所需要的區(qū)熔硅主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

區(qū)熔法又稱Fz法（Float-Zone method），即懸浮區(qū)熔法，于1953年由Keck和Golay兩人將此法用在生長(zhǎng)硅單晶上。區(qū)熔法是利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動(dòng)，通過(guò)整根棒料，生長(zhǎng)成一根單晶，其晶向與籽晶的相同。區(qū)熔法又大致可以分為兩種：即水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。前者主要用于鍺、砷化鎵等材料的提純和單晶生長(zhǎng)。后者主要用于硅單晶的生長(zhǎng)。這是由于硅熔體的溫度高，化學(xué)性能活潑，容易受到異物的玷污，難以找到適合的坩堝，不能采用水平區(qū)熔法。區(qū)熔硅單晶由于在它生產(chǎn)過(guò)程中不使用石英坩堝，氧含量和金屬雜質(zhì)含量都遠(yuǎn)小于直拉硅單晶，因此它主要被用于制作高壓元件等領(lǐng)域，如可控硅、整流器等，其區(qū)熔高阻硅單晶（一般電阻率為幾千Ω以至上萬(wàn)Ω）則可用于制作探測(cè)器件。

區(qū)熔硅單晶的生長(zhǎng)過(guò)程包括：

第一、原料的準(zhǔn)備：將高質(zhì)量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，然后將一端切磨成錐形，再將打磨好的硅料進(jìn)行腐蝕清洗，除去加工時(shí)的表面污染。

第二、裝爐：將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將準(zhǔn)備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。

第三、關(guān)上爐門，用真空泵排除空氣后，向爐內(nèi)充入惰性氣體（氮?dú)饣驓渑c氮的混合氣等），使?fàn)t內(nèi)壓力略高于大氣壓力。

第四、給射頻圈送上高頻電力加熱，使硅棒底端開(kāi)始熔化將棒料下降與籽晶熔接。當(dāng)熔液與籽晶充分熔接后，使射頻線圈和棒料快速上升，以拉出一細(xì)長(zhǎng)的晶頸，消除位錯(cuò)。晶頸拉完后，慢慢地讓單晶直徑增大到目標(biāo)大小此階段稱為放肩。放肩完成后。轉(zhuǎn)入等徑生直到結(jié)束。區(qū)熔生長(zhǎng)工藝區(qū)熔晶生長(zhǎng)的難點(diǎn)在于：第一、電磁托力。高頻電磁場(chǎng)對(duì)熔區(qū)的形狀及穩(wěn)定性都有一定的影響，尤其當(dāng)高頻線圈內(nèi)徑很小時(shí)，影響較大。以至此種支撐力在某種程度上能與表面張力相當(dāng)。晶體直徑越大，電磁支撐力的影響就越顯著。第二、重力。重力破壞熔區(qū)的穩(wěn)定。當(dāng)重力的作用超過(guò)了支撐力作用時(shí)，熔區(qū)就會(huì)發(fā)生流熔，限制了區(qū)熔單晶的直徑。若無(wú)重力影響，F(xiàn)z法理論上可以生長(zhǎng)出任何直徑的單品;第三、離心力。由晶體施轉(zhuǎn)引起離心力，主要影響固液界面的熔體。晶體直徑越大，影響愈大。因此大單晶制備需要找到用適宜的低轉(zhuǎn)速。

區(qū)熔硅單晶的生長(zhǎng)設(shè)備系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備、電力供應(yīng)及輔助設(shè)施構(gòu)成：機(jī)械設(shè)備包括晶體旋轉(zhuǎn)及升降機(jī)構(gòu)，高頻線圈與晶棒相對(duì)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，硅多晶料的夾持機(jī)構(gòu)等;電力供應(yīng)包括高頻電源及其傳送電路各機(jī)械運(yùn)行的控制電路。高頻電源的頻率為2～4MHz;輔助設(shè)施包括水冷系統(tǒng)和保護(hù)氣體供應(yīng)與控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。

利用區(qū)熔法生長(zhǎng)大直徑硅單晶比直拉法困難得多，要克服的主要問(wèn)題是熔區(qū)的穩(wěn)定性。這可用“針眼技術(shù)”解決。另一項(xiàng)重大成就是中子嬗變摻雜，它使電力電子器件得到飛躍發(fā)展。區(qū)熔技術(shù)無(wú)法控制熔體對(duì)流和晶體/熔體邊界層厚度，因而電阻率的波動(dòng)比直拉硅單晶大。高的電阻率不均勻性限制了大功率整流器和晶閘管的反向擊穿電壓，而利用中子嬗變摻雜可獲得摻雜濃度很均勻的區(qū)熔硅（簡(jiǎn)稱NTD硅），從而促進(jìn)了大功率電力電子器件的發(fā)展與應(yīng)用。區(qū)熔硅單晶的最大直徑為200mm，并已商品化。

區(qū)熔硅單晶包括本征硅單晶和摻雜硅單晶。目前，區(qū)熔硅單晶的摻雜方法包括沉積法、硅芯摻雜法、溶液涂敷摻雜法、棒孔摻雜法、中子嬗變摻雜法和氣相摻雜法等，而氣相摻雜（Gas Doping，簡(jiǎn)稱GD）和中子嬗變（Ncutron Transmutation Doping;簡(jiǎn)稱NTD）是最常用的兩種方法。GD硅單品主要應(yīng)傳統(tǒng)電力電子器件領(lǐng)域，占區(qū)熔市場(chǎng)的60%左右具有高少子壽命高摻雜效低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)，但RRV較差，可導(dǎo)致率整流器和晶閘管的反向穿電壓降低。而中子嬗變摻雜硅單晶主要應(yīng)用于電站新能源汽車變壓變頻器件等領(lǐng)域，占區(qū)熔市場(chǎng)的40%左右，其具有豐常均勻的摻雜濃度，徑向電阻率分布也非常均勻，但是生產(chǎn)成本較高。

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