Как улучшить адгезию титана к кремнию?

Добрый день!

Возникла по работе следующая проблема. На кремниевую пластину напыляются титан-никель-серебро (в одном процессе) методом магнетронного распыления. Затем пластина режется на кристаллы (диоды) и замеряется прямое падение напряжения. Далее кристаллы припаиваются к керамическому основанию, привариваются вывода и снова замеряется прямое падение: оно растет на произвольную величину (от 0.4 до 1 В).

Возникает предположение: может, титан имеет плохую адгезию к кремнию и частично отслаивается после пайки?

Возможно ли улучшить адгезию, обработав чем-то поверхность кремния? Надеюсь, что кто-нибудь сталкивался с подобной проблемой.

Скорее всего, из-за нагрева во время пайки, растет толщина слоя оксида титана с обеих сторон прослойки титана, - рост толщины слоя TiO2 от нескольких нанометров до десятков нанометров может дать такое увеличение сопротивления. Обработка поверхности кремния ничего не даст, так как сродство титана к кислороду выше, чем у кремния.

По моему мнению надо попытаться в технологии напыления совсем исключить титан или паять при более низкой температуре.

<b>Авас Петяев</b>, экспериментировали с пайкой: она происходит на плитке. Плитку грели до 180°С, на нее клали основание, намазанное пастой+кристалл сверху пасты. Включали нагрев плитки до 235°С и выдерживали кристаллы разное время - от 2-3 минут (пока паста расплавится) до 20 минут, рост прямого падения был все тем же нестабильным. Уменьшить температуру пайки вряд ли получится, она обусловлена пастой :(

И по поводу роста оксида титана - процесс напыления происходит у нас в вакууме, в одном процессе последовательно пылятся титан, потом никель, потом серебро. Кислород может проникнуть до слоя титана из-за дефектов в напыленных слоях металла?

И попадалась информация, что может помочь после напыления отжиг в водороде - что водород восстановит окисленные титан и никель (правда, удалось найти только уравнение реакции, где, отжиг в водороде восстанавливает оксид никеля) . Но мы отжигали пластины в водороде при 380-400°С, ничего не менялось.

Оксид титана - настолько термодинамически стабильное соединение, что образуется и в любом техническом вакууме. Кстати, титан, как и алюминий служит вакуумным геттером. Восстановить оксид титана водородом невозможно ни при каких условиях, так же как и оксиды алюминия и кремния (оксид никеля восстанавливается очень легко, а оксид серебра при нагревании на воздухе вообще не существует). Вакуумные покрытия не являются абсолютно газоплотными, а потому могут пропускать кислород до субстрата, отсюда окисление титана.

Если бы Ваша проблема была обусловлена ухудшением адгезии (из-за термических напряжений или деформаций при резке), то наблюдался бы не стабильный рост сопротивления на какую-то небольшую величину, а просто исчезала бы проводимость в некоторых диодах (отрыв покрытия), а в других сопротивление оставалось бы без изменений. Поэтому я и думаю, что дело в окислении.

Я не специалист по вакуумным покрытиям, но полагаю, что титан в таком покрытии вполне можно заменить, например, на хром. Оксид хрома в высоком вакууме не образуется, да и рост толщины пленки Cr2O3 происходит при более высоких температурах, чем рост пленки TiO2.

Если не хотите менять технологию напыления, то можно попробовать изменить технологию пайки. Существуют припои на основе индия, позволяющие паять даже при нормальной температуре, так что подобрать припой для пайки, скажем, при 80°C вполне реально.

<b>Авас Петяев</b>, спасибо за ответ! Будем искать возможности для экспериментов

<b>_mash_</b>,

Ваш адрес - не Саранск "Орбита"? В какой установке напыление? Как давно возникла такая проблема?

<b>ev_berlin</b>, добрый вечер! Я работаю на предприятии ЗАО "Группа Кремний ЭЛ", Брянск. Установка Оратория. Проблема существует, если не ошибаюсь, с 2008 года, когда у нас решили делать эти диоды. У них есть зарубежный аналог, с которым мы проводили те жеэксперименты с пайкой, что и с нашим кристаллом. Но у зарубежного аналога рост прямого падения не превышал 0.2 В, у нашего же в разных партиях он составляет от 0.4 до 1В, с чем связано, непонятно. Проблема еще и в том, что я как технолог работаю меньше года (а над этим диодом только 4 месяца). Прежний технолог, у которого иногда получались хорошие партии,ушел с завода еще до меня, информации о его опытах не осталось. Приходится искать проблему фактически с нуля...

Это достаточно древний и воспроизводимый процесс. Оратория проходная машина?

Обработку пластин в ВЧ разряде делаете?

Контактную систему если не ошибаюсь вжигают в атмосфере формир газа, чтобы получить низкое переходное сопротивление.

По Ораториям - это в НИИТМ, к разработчику Одинцову ВВ.

Одинцову ВВ.

Оратория-2М - проходного типа

Оратория-5 - карусельного типа с тремя технологическими позициями и шлюзом загрузки-выгрузки

Оратория-9 - периодического действия

<b>_mash_</b>,

Так все таки, какая установка? Режимы напыления, толщины, и т.п.

Я ставил такой процесс в Саранске, пару тысяч лет назад, до сих пор не жаловались. Тоже диоды, и тоже под пайку.

По установкам к Вадиму Васильевичу Одинокову обращаться можно, а вот по технологии... Это всегда была их "ахилессова пята".

Consta , ev_berlin, КарАл, добрый день! У нас стоят Оратории-9. На одной из них напыляют титан-никель-серебро в одном процессе.

Как происходит процесс напыления. Перед напылением пластины шлифуют (не все партии, как показывает практика, шлифовка не улучшила положения с прямым падением). Затем пластины помещают в установку ПХО 004, где в плазме (хладон CF4) травится поверхность кремния - окисел, загрязнения. Далее подложки помещают на подложкодержатель и в Ораторию. Титан и никель наносятся электронно-лучевым испарением, серебро - резистивным нагревом.

Титан на все приборы напыляется постоянной толщины - 0,13 мкм. Толщины никеля и серебра меняются для разных приборов. Для диода толщина титана составляет 0,4 мкм, серебра - 1 мкм.

Напыление начинают при значении рабочего вакуума порядка 6,5*10^-4 Па.

Режим напыления всех металлов для диода (в минутах) напишу чуть позже.

Толщину титана каждый день замеряют в контрольном процессе. Технологи из цеха говорят, что толщина напыленного титана в начале и в конце рабочего дня может быть разной из-за того, что в начале дня титановый штапик неразогретый и распыляется медленнее, а в конце дня разогрет и распыляется быстрее.

-

_mash_, В общем, понятно. В Саранске я переделал "Ораторию - 9" под магнетронное напыление. 90 соток на барабане. Проблем никаких. ИМХО, с электронным лучом вам с температурой напыления надо разбираться. У магнетронного титана нет проблем ни с воспроизводимостью толщины, ни с температурой. По поводу температуры штабика, лежащего в водоохлаждаемом тигле, и периодически вскрываемого на атмосферу - это шутка юмора.

ev_berlin, над новичками все шутят, что поделать :)

И вопрос не по теме - есть ли у кого-нибудь связи с заводом, где могут сделать ИЛ сурьмы за деньги?

ev_berlin, про температуру напыления - сказали, что ее не контролируют.

Режим напыления титан-никель-серебро:

3 минуты напыляется Ti, 10 минут Ni, 3 минуты Ag. Сказали, что напыление Ni включают примерно за минуту до конца напыления Ti.

Ток для Ti 0.3 А, ток для Ni 0.5 А, ток для Ag 240 А.

Получаются толщины: Ti 0.13 мкм, Ni 1.36 мкм, Ag 0.4 мкм

Для титана каждое утро проводят контрольный процесс: время напыления 3 минуты, толщина 0.13 мкм. Также контролируют удельное сопротивление титана:

Rs = 40 Ом/квадрат

d = 0.13 мкм

rs = d*Rs*10^-4 = 5.2*10^-4 Ом*см (по норме должно быть меньше 10*10^-4 Ом*см)

Вакуум конечно хороший в полупроводниковых установках, но традиционно у термического испарения

адгезия - никакая, по сравнению с ионно-плазменными методами.

Также проводили напыление титан-никель в одном процессе, а далее напыление золота в другой Оратории-9, переделанной под напыление золота (с "золотым ларчиком").

Была теория, что в таком случае, когда золото напыляется на никель через некоторый промежуток времени (от нескольких часов до нескольких суток), то никель окисляется. Пластины хранятся просто в пенале. После напыления золота проводится отжиг (380 градусов) , чтобы восстановить никель. Прямое падение в данном случае также странно растет после посадки (0,4-1В для разных партий).

_mash_, В общем так. Есть у вас на кремнии такой - Михеев Н.И. У него переделанная под магнетроны Оратория. Можно такую же для титан -никель -серебро. Напылять титан электронным лучом - это, с моей точки зрения - неправильно. Скорее всего, дисилицид титана на границе кремний -титан в процессе напыления - не образуется. А когда подложки выгружаются на атмосферу - на границе нарастает окисел. И тогда возможны любые последствия. Тонкие пленки никеля и серебра - не вакуумплотные, и кислород к границе раздела может сквозь них диффундировать.

<b>ev_berlin</b>, он на больничном, ждем. Но у нас на участке напыления отрицательно относятся к идеям по переделке установок, делать это сложно, долго, и положительный результат не гарантирован. Да и заняться этим могут от силы пара человек, которые и так нарасхват. Но вашу идею предложу обязательно, о таком варианте еще никто не думал. Спасибо, что уделили мне время!

<b>_mash_</b>,

А вы и не сможете такую работу проделать в обозримый срок, даже по образцу. Для этого нужно много специфических знаний. Когда выйдет, пусть мне позвонит просто.

КарАл,

Спасибо, уже путать начинаю.

_mash_,

Не думаю, что толщина титана играет решающую роль на переходное сопротивление контакта кремний-титан.

После напыления контакт нужно формировать (вжигать) - должна пройти диффузия или образоваться эвтектика в приповерхностном слое кремния.

После напыления контакт нужно формировать (вжигать) - должна пройти диффузия или образоваться эвтектика в приповерхностном слое кремния.

Тогда это будет абсолютно другая технология металлизации, для которой нужны совсем другие материалы для напыления (вместо системы Ti-Ni-Ag используют Al-Ti-Ni-Ag). Если есть возможность термообработки напыленного кремния в вакууме, то в качестве напыляемого материала годится, например, молибден, который, с одной стороны, образует с кремнием очень устойчивый и электропроводный дисилицид, а с другой стороны дает идеальную поверхность для пайки (покрытие может быть однослойным).

ev_berlin, в Саранске вы ставили процесс не у Е.М. Гейфмана? И на какой установке - не на "Каролине"? Начальник говорит, что если там есть налаженный процесс, то мы можем связаться с ними и провести опыт.

<b>_mash_</b>,

Там на "Орбите" стоит две установки. Одна - на базе "Оратории 9", другая - Caroline D12C.

Производительность у них - одинаковая, магнетроны - тоже. Пиши в личку, дам контакты.

_mash_,

Есть форум по полупроводниковым технологиям: http://forum.ixbt.com/?id=44

Постучитесь.