電驅(qū)動(dòng)功率模塊微納米尺度加工新技術(shù)及應(yīng)用

曹德峰，劉偉良，劉鵬飛，陳致初，陳建明，陳磊，曾潤(rùn)東

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，株洲 412001）

引言

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的“心臟”，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度、技術(shù)水平直接影響整車性能的可靠性以及穩(wěn)定性。新能源汽車關(guān)鍵的三電技術(shù)，即電池、電機(jī)和電機(jī)控制器技術(shù)。其中，電池壽命、安全性以及續(xù)航里程等問(wèn)題是全球目前研究的熱點(diǎn)之一，是新能源汽車發(fā)展需要突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。在電池技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展前，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、功率密度、系統(tǒng)集成、可靠性與安全性等，成為新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要研究方向，也是我國(guó)政府和企業(yè)進(jìn)行政策制定和未來(lái)發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)對(duì)象[1]。未來(lái)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展集中表現(xiàn)為低成本、高可靠、長(zhǎng)壽命及高度集成等。為了保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效高可靠性要求下電驅(qū)動(dòng)的自主可控，需要對(duì)其功率模塊材料的微納米級(jí)加工技術(shù)進(jìn)行研究。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用工況較為惡劣，其可靠性保證技術(shù)尤為重要。在成本及技術(shù)等因素的影響下，其研制及生產(chǎn)過(guò)程中的功率模塊及其它元器件多為塑封器件。與陶瓷封裝、金屬封裝的元器件相比，塑封器件存在氣密性差、容易分層及不易散熱等問(wèn)題，在電子產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中容易失效。目前，隨著半導(dǎo)體器件制備工藝的發(fā)展，65 nm及以下制程甚至14 nm制程的器件已投放市場(chǎng)。上述器件在器件研制方面的技術(shù)逐步突破，但缺乏相應(yīng)的成套的可靠性保證技術(shù)體系。因此，需要在元器件實(shí)際使用過(guò)程中尤其是批量生產(chǎn)前，開(kāi)展相應(yīng)的技術(shù)研究工作，需要借助聚焦離子束微納米尺度加工技術(shù)、掃描電鏡等進(jìn)行分析。此外，就目前高性能器件研制中，借助聚焦離子束可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體雜質(zhì)摻雜；特定用途材料加工中，實(shí)現(xiàn)納米自鉆孔技術(shù)等。

本文就電驅(qū)動(dòng)功率模塊中的微納米尺度加工技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行研究，一方面是為了保證新能源汽車電驅(qū)動(dòng)模塊的可靠性，暴露因結(jié)構(gòu)、材料、制備工藝及選用、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及模塊集成方面的問(wèn)題，進(jìn)而提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，保證電驅(qū)動(dòng)功率模塊的高可靠性；一方面就聚焦離子束其它高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行分析，拓展聚焦離子束微納米尺度加工技術(shù)在高新技術(shù)中的應(yīng)用；此外，新型加工技術(shù)在器件研制階段、后續(xù)市場(chǎng)應(yīng)用的合理選用，有助于降低成本、節(jié)約時(shí)間并間接實(shí)現(xiàn)IGBT功率模塊的自主可控。

1 基本原理及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雙束聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）系統(tǒng)是由掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）與聚焦離子束兩部分組成，兼顧了聚焦離子束微納米尺度的加工與掃描電子顯微鏡微觀形貌實(shí)時(shí)原位觀察的雙重優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種材料微區(qū)域分析設(shè)備。

目前，已上市應(yīng)用的離子源多數(shù)為鎵（Gallium，Ga）液相金屬離子源（Liquid Metal Ion Source，LMIS）。通過(guò)離子束對(duì)相應(yīng)材質(zhì)進(jìn)行加工時(shí)，金屬Ga因熔點(diǎn)較低而呈現(xiàn)液態(tài)，外加電場(chǎng)后在其上形成細(xì)小的尖端束流，在受到負(fù)電場(chǎng)作用下導(dǎo)出Ga離子束并通過(guò)電透鏡實(shí)現(xiàn)聚焦，再通過(guò)二次聚焦至被加工試樣表面，利用物理碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)切割，完成微納米量級(jí)材質(zhì)的精細(xì)加工[2]。單束FIB、雙束FIB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1和圖2所示，其單束FIB只有材料加工功能。

FIB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，離子源是最為關(guān)鍵的部件，其尺寸大小直接影響 FIB系統(tǒng)的分辨率。離子源能夠?yàn)镕IB系統(tǒng)提供穩(wěn)定的、可聚焦的離子束，目前商用多為Ga源，集低熔點(diǎn)（約30 ℃左右）、高亮度、高穩(wěn)定性、良好的抗氧化能力及長(zhǎng)壽命（約1 500 h）等特征為一體，成為目前使用較為廣泛的離子源[3]。

圖1 單束FIB檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 雙束FIB檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

FIB成像原理與SEM基本相似，其圖像分辨率取決于二次離子信號(hào)強(qiáng)度、加速電壓、離子束強(qiáng)度、被加工試樣的及儀器抗振動(dòng)效果等。工作過(guò)程中，離子束以一定的能力作用于材料表面，發(fā)生作用并將部分能量傳遞給被加工材質(zhì)的原子和電子，固體近表面的原子獲得高能量而因?yàn)R射而脫離材質(zhì)表面。材質(zhì)加工中，若配備能夠收集二次電子或二次離子的探測(cè)器，則還可在離子束加工過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察被加工材質(zhì)的形貌。因離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，因此聚焦離子束的特性進(jìn)行微納米尺度的切割、刻蝕、薄膜沉積和以及半導(dǎo)體薄膜材料的離子注入等[4]。

FIB系統(tǒng)中，其施加電壓的大小、提供電流的大小、離子束的入射角度以及離子劑量等是重要參數(shù)。部分設(shè)備的技術(shù)參數(shù)中，最高電壓可達(dá)30 kV，最大束流可達(dá)65 nA，最小束斑直徑達(dá)到納米尺度（如5 nm），離子束的入射角度和輻照劑量連續(xù)可調(diào)。

2 聚焦離子束技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著各類材料的制備技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，聚焦離子束技術(shù)受到廣泛關(guān)注，主要聚焦于材料分析、微米/納米尺度材質(zhì)加工領(lǐng)域等。離子束質(zhì)量較大，作用于材質(zhì)表面能量較高、波長(zhǎng)較短，能夠直接將圖案作用于較硬的基體材料上，其作用過(guò)程基本不出現(xiàn)散射問(wèn)題。因此，被加工材質(zhì)圖形的尺寸及精度，主要由離子束的束斑直徑和離子束與材料相互作用的機(jī)理兩個(gè)方面決定。半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)、工藝保證環(huán)節(jié)，聚焦離子束微納米尺度的加工技術(shù)已成為一不可或缺的工具，配合掃描電子顯微鏡的微觀形貌原位實(shí)時(shí)分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于高精度圖形加工、集成電路局部區(qū)域修補(bǔ)和材料失效分析等領(lǐng)域，目前在納米級(jí)材料特定形狀加工(如空間納米點(diǎn)陣)已顯示出一定優(yōu)勢(shì)[5]。

2.1 聚焦離子束的微區(qū)濺射與增強(qiáng)刻蝕技術(shù)

FIB系統(tǒng)工作時(shí)，利用較高能量的離子束作用于樣品表面，F(xiàn)IB能夠?qū)悠诽囟ǖ奈⑿^(qū)域進(jìn)行刻蝕，刻蝕過(guò)程較為精確，其分辨率能夠達(dá)到0.1 nm，整個(gè)過(guò)程無(wú)需掩模與光刻[6]。其中，樣品刻蝕的形狀由離子束的掃描范圍決定。而刻蝕深度及側(cè)壁的陡直程度，則是目前高性能、高可靠性半導(dǎo)體器件制備的關(guān)鍵因素，如高深寬比圖形的制備，其影響因素主要是加速電壓、離子束流及其離子輻照時(shí)間等。然而，該純物理濺射也存在部分不足之處：刻蝕過(guò)程中，因作用物質(zhì)不易揮發(fā)，若不能及時(shí)排出腔體外部，則容易出現(xiàn)再淀積問(wèn)題。從而對(duì)刻蝕效率產(chǎn)生影響甚至阻礙刻蝕繼續(xù)進(jìn)行，從而影響被加工材質(zhì)刻蝕質(zhì)量，尤其是對(duì)陡直度要求較高的應(yīng)用[7]。為了解決上述問(wèn)題，目前的FIB系統(tǒng)中通常引入氣體注入系統(tǒng)（GIS）。

反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)具有傳統(tǒng)物理離子束刻蝕技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是材料的選擇性，二是刻蝕速率，三是深孔側(cè)壁的垂直性。離子束作用過(guò)程中，反應(yīng)氣體以一定的能量作用于樣品表面，較高能量離子束作用下，誘導(dǎo)吸附于樣品表面的氣體與之進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)產(chǎn)物為易揮發(fā)物質(zhì)，易于從真空系統(tǒng)中排出。試樣表面的選擇性刻蝕通過(guò)控制鹵素成分進(jìn)行，其加工精度等方面能夠保證。GIS系統(tǒng)的采用，有效地防止了刻蝕過(guò)程的再淀積問(wèn)題，不僅在刻蝕速率上大大提高，而且能夠保證其刻蝕形狀，保證能夠獲得圖形較高的精確度。Ga+離子束在30 kV下采用Cl2為反應(yīng)氣體，對(duì)Si、Al和GaAs的刻蝕速率如表1所示。

表1 不同材料的增強(qiáng)系數(shù)

氣體增強(qiáng)刻蝕技術(shù)的應(yīng)用，很大程度上促進(jìn)了高新技術(shù)領(lǐng)域微納米材料加工的高精度，該技術(shù)對(duì)不同材料的選擇性較強(qiáng)，利用了同樣刻蝕條件下不同材質(zhì)刻蝕速率存在顯著差異的特點(diǎn)，在三代半導(dǎo)體材料工藝器件以及其它材質(zhì)加工應(yīng)用有明顯優(yōu)勢(shì)。不同半導(dǎo)體材質(zhì)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)比較，如表2所述。以Al/SiO2為例，半導(dǎo)體制備工藝中的Al/SiO2結(jié)構(gòu)，采用輔助氣體可快速將Al刻蝕掉而對(duì)SiO2幾乎沒(méi)有影響，其原因是兩者的刻蝕速率差20余倍，該情況下保持了SiO2的完整性。因此，上述技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了對(duì)被刻蝕位置終點(diǎn)控制的要求，也在半導(dǎo)體器件研制、小批量制造、材料差異性分析等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)IB技術(shù)人員可以參考該表中不同條件下的刻蝕速率，進(jìn)行材料的刻蝕加工。

2.2 材料微區(qū)分析薄膜沉積技術(shù)

電驅(qū)動(dòng)功率模塊及其它半導(dǎo)體器件在新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，為了保證其可靠性，在器件功能、性能等保證的情況下需要從應(yīng)用角度對(duì)其工藝制程的符合程度進(jìn)行研究或驗(yàn)證。為了保證被加工器件截面的平整程度并獲得較為準(zhǔn)確的量測(cè)數(shù)據(jù)，需要對(duì)被分析試樣表面進(jìn)行鉑（Pt）或鎢（W）金屬膜層沉積。利用GIS將W（CO）6、WF6及Al（CH3）3等金屬有機(jī)物氣體（即誘導(dǎo)氣體）作用于需要沉積膜層的部位。離子束作用時(shí)，誘導(dǎo)氣體在高能離子束的作用下分解，產(chǎn)生W、C和Pt等固體成分（薄膜淀積）以及揮發(fā)性成分（真空系統(tǒng)排出腔外），實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品選擇性金屬膜層沉積的功能。某芯片表面淀積的Pt膜層如圖3所示，其膜層淀積后加工的截面結(jié)構(gòu)較為平整。

采用聚焦離子束薄膜沉積技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中還可以對(duì)導(dǎo)電性差或非導(dǎo)電的絕緣材料進(jìn)行薄膜沉積，增強(qiáng)膜層表面的導(dǎo)電能力，便于獲得較為清晰的SEM微觀形貌圖，進(jìn)而展開(kāi)相應(yīng)的研究工作。聚焦離子束薄膜沉積技術(shù)，在集成電路修補(bǔ)也具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)，常被用于芯片研制環(huán)節(jié)電路修補(bǔ)及差異性分析，沉積過(guò)程兩條需要將被連接兩金屬線條（如Al或Cu）之間通過(guò)沉積Pt或鎢W薄膜進(jìn)行連接[8]。值得注意的是，連接的金屬條之間電阻比正常值大，其原因是沉積的Pt或W薄膜結(jié)構(gòu)中含有較多的C元素。

2.3 聚焦離子束裸芯片截面加工技術(shù)

集成結(jié)構(gòu)小型、功能多樣、技術(shù)先進(jìn)及成本降低等為一體的高效高可靠性應(yīng)用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成產(chǎn)品，是每一研制單位創(chuàng)建國(guó)產(chǎn)自主品牌、提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。然而，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成工作環(huán)境惡劣，涉及溫度、振動(dòng)等應(yīng)力且多采用塑封器件。為了保證器件的可靠性，減少失效問(wèn)題發(fā)生或進(jìn)行失效問(wèn)題分析，某些情況下需要對(duì)器件截面進(jìn)行觀察。

目前各種功能先進(jìn)、結(jié)構(gòu)小型的半導(dǎo)體器件逐步增多，其芯片制程逐漸減小，已經(jīng)能夠制備出14 nm制程的器件并批量上市，相應(yīng)的功能、性能等均有很大提升。然而，上述工藝制程器件缺乏相應(yīng)的可靠性保證技術(shù)，其可靠性問(wèn)題成為業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于出現(xiàn)的新型電子器件，目前汽車應(yīng)用領(lǐng)域在可靠性技術(shù)研究等方面研究較少。因此，車規(guī)級(jí)元器件的應(yīng)用，某些情況下需要結(jié)合相應(yīng)的芯片截面觀察技術(shù)，部分關(guān)鍵或核心元器件需要開(kāi)發(fā)極限評(píng)估、應(yīng)用驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)分析分析等技術(shù)，找出技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)并持續(xù)改進(jìn)，以保證元器件的使用可靠性技術(shù)要求。

表2 普通濺射刻蝕與GAE對(duì)不同材料的選擇性

圖3 某芯片表面沉積Pt圖

目前，塑封器件截面觀察需要將塑封料去除，目前通常采用的方法是將塑封器件置于一定溫度的發(fā)煙硝酸發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而采用丙酮、酒精及去離子水進(jìn)行清洗，從而獲得裸芯片。其裸芯片的截面加工技術(shù)主要有兩種：一是裸芯片截面研磨加工工藝，二是聚焦離子束截面加工工藝。二者各有利弊，適用于不同類型的材質(zhì)加工。以第一代半導(dǎo)體材料Si基器件而言，其截面觀察兩種方式均可采用。然而，對(duì)于部分特殊工藝（如GaAs基器件），因其材料為脆性材料，其芯片截面只能通過(guò)聚焦離子束截面加工技術(shù)。部分需要截面觀察器件需要借助透射電子顯微鏡（TEM），采用FIB加工技術(shù)進(jìn)行TEM試樣制備。采用聚焦離子束進(jìn)行Al制程、Cu制程芯片截面加工的截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 聚焦離子束離子注入技術(shù)

高效高可靠性的電功率驅(qū)動(dòng)模塊在設(shè)計(jì)完成后需要通過(guò)工藝實(shí)現(xiàn)，其離子注入技術(shù)是重要環(huán)節(jié)之一，保證芯片制備中的摻雜濃度控制在合理范圍。離子注入技術(shù)借助離子較大質(zhì)量實(shí)現(xiàn)樣品表面的轟擊，使高能離子束射入樣品。離子束會(huì)導(dǎo)致被轟擊區(qū)域表面及轟擊深度范圍內(nèi)的晶格出現(xiàn)錯(cuò)位等，改變?cè)械木Ц穹植疾⒋嬖趹?yīng)力。因此，離子束作用后需要進(jìn)行去應(yīng)力退火，消除膜層內(nèi)部存在的應(yīng)力并使晶格分布趨于正常分布。離子轟擊會(huì)對(duì)樣品表面產(chǎn)生損傷，即存在“非晶層”。非晶層的厚度與控制是目前研究的重點(diǎn)之一，目前普遍采用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行離子損傷行為研究。TEM具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但分析試樣薄片制備存在一定技術(shù)難度[9]，目前已有的各種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

目前，半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)摻雜的主要方式是擴(kuò)散與離子注入，其適用范圍不同。通過(guò)聚焦離子束實(shí)現(xiàn)其離子注入是一項(xiàng)成本較低的可控技術(shù)，應(yīng)用較為廣泛。離子注入中目前有兩種比較重要的技術(shù)，一是采用常規(guī)掩模離子注入技術(shù)，一是采用FIB離子注入技術(shù)。兩者的主要區(qū)別在于：常規(guī)掩模離子注入需要掩埋板，而且適合于生產(chǎn)工藝中的大面積生產(chǎn)[10]。

為了研究器件的性能等，某些情況下采用FIB離子注入技術(shù)進(jìn)行摻雜。或在器件研制階段，為了節(jié)省成本，采用FIB注入技術(shù)。FIB離子注入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：FIB是一種無(wú)掩模的注入技術(shù)，能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)被加工試樣特定區(qū)域的摻雜。上述過(guò)程為采用聚焦離子束實(shí)現(xiàn)器件工藝摻雜的特點(diǎn)，其在成本、時(shí)間、工藝及環(huán)保等方面均有優(yōu)勢(shì)。除上述應(yīng)用，聚焦離子束的離子注入技術(shù)在半導(dǎo)體材料改性以及與分子束外延（MBE）技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)三維摻雜結(jié)構(gòu)器件等方面近年來(lái)已有相應(yīng)應(yīng)用，發(fā)展前景較好。

3 結(jié)論

圖4 采用聚焦離子束加工的器件截面結(jié)構(gòu)

本文從新能源汽車高性能制造及高效高可靠性應(yīng)用為目標(biāo)，圍繞聚焦離子束在微納米尺度加工技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行展開(kāi)，介紹了雙束FIB的工作原理及相關(guān)加工技術(shù)及應(yīng)用，主要有如下結(jié)論：

1）聚焦離子束能夠精確地對(duì)樣品特定微區(qū)進(jìn)行刻蝕，整個(gè)刻蝕過(guò)程無(wú)需掩模與光刻，在高精度要求下高深寬比的圖形制備等具有一定優(yōu)勢(shì)。

2）進(jìn)行微區(qū)域薄膜沉積，便于芯片截面加工、導(dǎo)電性差或不導(dǎo)電樣品的SEM形貌觀察，也在集成電路修補(bǔ)技術(shù)方面能夠良好應(yīng)用。

3）進(jìn)行裸芯片截面加工及觀察，有效結(jié)合裸芯片截面加工工藝實(shí)現(xiàn)三代半導(dǎo)體材料不同材質(zhì)制備器件的截面加工，獲取芯片截面相應(yīng)量測(cè)數(shù)據(jù)。

4）FIB離子注入技術(shù)適合用于半導(dǎo)體材料改性研究及半導(dǎo)體器件研制，具有無(wú)需掩模版和感光膠層、簡(jiǎn)化工藝流程及節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。