CN101068003B - 一种大功率双向晶闸管的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率双向晶闸管的生产方法，其主要工艺步骤为：硅片超砂、硼铝乳胶源扩散、化抛、机抛、氧化、光刻、三氯氧磷扩散、烧结、反刻、合金、表面磨角、腐蚀、保护。本发明(1)采用化学抛光的方法使P₂N₁P₁N₃的晶闸管反向表面浓度注入比扩大为10⁴，而P₁N₁P₂N₂的反向注入比在10³；(2)增大了元件中两只普通晶闸管之间隔离区之间的距离，使换向过程中P₁N₁P₂N₂晶闸管基区中的载流子尽量少地扩散到P₂N₁P₁N₃晶闸管的基区，反之亦然，减弱了两只晶闸管在换向时的相互影响而造成换向失败，从而提高器件的换向能力(dv/dt)_c；(3)改善钼、铝、硅之间的沾润，提高了器件电流的容量。

Description

一种大功率双向晶闸管的生产方法

技术领域

本发明涉及大功率大电流双向晶闸管的生产方法。

技术背景

目前，电器行业朝着高集成、大电流、大功率的方向发展。在交流电路中，由于一只双向晶闸管替代了两只反并联的普通晶闸管，同时又减少了触发电路及保护电路，达到了结构简单、体积缩小、成本降低的目的，在交流控制领域里成为一种较理想的控制元件，然而，目前行业中所生产的双向晶闸管元件，随着元件电流容量的增大，普遍存在换向特性不佳，造成在感性或容性负载换向失败，无法使用。已知解决(dv/dt)_c的换向能力的方法有几种方法：1.用掺金的方法在隔离区增加大量复合中心使少子在跨越隔离区时被复合掉，但缺点是制造工艺麻烦，成本较高会影响器件的其它参数，是最初的试验方法，目前基本上不用；2.用电子辐照的方法借助电子辐照的设备在掩蔽模具的作用下在隔离区产生复合中心，也能提高换向能力，但它的缺点是投资较大，成本较高，工艺操作复杂，产量受到限制，技术推广较困难。因此国内行业目前一般只做到800A的双向晶闸管，更大电流双向晶闸管方面的研究，尚属空白。

发明内容

本发明的目的在于克服上述的缺陷提供一种能达到1200A的大功率双向晶闸管的生产方法。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

一种大功率双向晶闸管的生产方法，其主要工艺步骤：硅片超砂、硼铝乳胶源扩散、化抛、机抛、氧化、光刻、三氯氧磷扩散、烧结、反刻、合金、表面磨角、腐蚀、保护。其特征在于：

所述的化抛工艺步骤为：对化抛面进行表面浓度分档、将不化抛一面用黑胶进行保护、对同一档表面浓度的片子进行化抛，化抛到工艺所要求的浓度、将化抛后的硅片用去离子水冲净酸液，丙酮脱水后用甲苯超去黑胶，烘干；

所述的光刻工艺步骤为：将两只反向晶闸管在光刻板上定位，其之间的隔离区为1-1.4mm，将硅片进行干燥处理、甩胶、前烘、曝光、显影、定影、坚膜、保护、腐蚀、去光刻胶；

所述的烧结工艺步骤为：

将清洁处理好的硅片用镊子钳在干净的滤纸上，放在红外线下烘；铝片：将腐蚀好的铝片经丙酮脱水两次后钳在滤纸上，放在红外线下烘干；钼片：将钼片用镊子钳在干净的滤纸上，放在红外线下烘；石墨粉：存放在80±2℃烘箱内待用；

烧结装模顺序依次为钼片、铝片、硅片、石墨粉，按此重复；

进炉烧结，真空抽至5×10^-3Pa时，炉体温度升到850℃左右，开始套炉升温，控制烧结温度恒温，恒温结束后，自然冷却，降至14mV抬炉，关扩散泵电炉，降至6mV左右，放气出炉。

本发明目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述的化抛工艺步骤中，化抛液的配比为硝酸∶氢氟酸∶冰乙酸＝3∶1∶1；

前述的光刻工艺步骤为：将双向晶闸管在光刻板上定位，其之间的隔离区为1.4mm，其扇形展开后θ＝2°，N型远端离中心线距离为2.2mm；

前述的光刻工艺中曝光步骤为：将硅片在光刻板上进行双面曝光、曝光时间约30～45秒、光刻板必须对准对好，确保隔离区的间距；

前述的烧结工艺步骤中，铝片厚度为0.011-0.013mm；

前述的烧结工艺步骤中，烧结温度恒定在600～625℃左右，恒温时间5±1分钟。

用本发明工艺生产的大功率双向晶闸管，由于在工艺上作了以下改进：(1)采用化学抛光的方法使P₂N₁P₁N₃的晶闸管反向表面浓度注入比扩大为10⁴，而P₁N₁P₂N₂的反向注入比在10³；(2)增大元件中两只晶闸管之间隔离区之间的距离，使换向过程中P₁N₁P₂N₂晶闸管基区中的载流子尽量少地扩散到P₂N₁P₁N₃晶闸管的基区，反之亦然，减弱了两只普通晶闸管在换向时的相互影响而造成换向失败，从而提高器件的换向能力(dv/dt)_c；(3)采用石墨粉烧结工艺来进行烧结，改善钼、铝、硅之间的沾润，提高了器件电流的容量。

具体实施方式

一种大功率双向晶闸管的生产方法，其主要工艺步骤：硅片超砂、硼铝乳胶源扩散、化抛、机抛、氧化、光刻、三氯氧磷扩散、烧结、反刻、合金、表面磨角、腐蚀、保护。

实施例1

本实施例的大功率双向晶闸管的生产方法，其主要工艺步骤依次为：

1、硅片超砂：

选用NTD单晶，电阻率60～75Ωcm，硅片直径D＝φ52mm，硅片厚度H＝0.5mm，设计电压V_DRM≥1400V，硅片放在超声波清洗器中进行超砂。

2、硼铝乳胶扩散：

将清洁的硅片子及硅舟等进行清洁处理后放进烘箱里烘干；烘干的硅片夹到甩胶机上，用预先配制好的硼、铝乳胶源，适量涂在硅片上、甩胶；甩胶完毕将硅片夹到培养皿里，涂源面朝上，进行下一片的甩胶操作；甩另一面，甩完后也放置在红外线灯下烘烤约10分钟，将硅片叠放在一起，装入扩散硅舟；将硅舟放入扩散炉的石英管里，推入扩散炉的恒温区里，检查控温仪表设定值后打开电源升温；按工艺对结深的要求，在1260℃±1下扩散一定的时间；恒温时间结束后，切断电源，随炉降温，300℃以下出炉。

3、化抛工艺：

按工艺要求对待化抛面进行表面浓度分档；将不化抛一面用黑胶进行保护；对同一档浓度的片子进行化抛，化抛到工艺所要求的表面浓度；化抛液的配比：硝酸∶氢氟酸∶冰乙酸＝3∶1∶1；将化抛后的硅片用去离子水冲净酸液，丙酮脱水后用甲苯超去黑胶，烘干。

4、机抛：

开管扩散片；将硅片按厚度不同分类，把厚度相同的硅片粘在一只抛光盘上，冷却后进行抛光；开启抛光液泵，让抛光液流在抛盘中央的过滤网上，再开动抛光机使抛光盘均匀转动，抛光液要适量，表面抛光达到工艺要求表面浓度；抛光结束后，要将抛光机冲净，抛光盘保持清洁，并保证平整光亮；将抛光盘放在电炉上加热，取下硅片，放入盛有664清洗剂的烧杯中，煮沸1分钟，连煮三遍后，用大量清水冲净，用纱布擦干，待氧化；闭管扩散片：将超净砂的硅片先按规格套园，然后进行抛光，抛出镜面即可；抛光液配比：三氧化二铬∶重铬酸铵∶纯水＝3g∶1g∶100ml；抛光面光亮，无桔皮坑和塌边现象抛光浓度均匀，表面无水渍、油渍、手渍以及蜡等杂质。

5、氧化：

将摆放在纯水中的硅片取出在红外线灯下烘干；氧化温度1200±1℃，氧化流量干氧800ml/min，湿氧500ml/min，水浴温度95～98℃。

6、光刻：

将隔离区间距至1.4mm，其扇形展开后θ＝2°，N型远端离中心线距离为2.2mm；

工艺流程：硅片干燥处理、甩胶、前烘、曝光、显影、定影、坚膜、保护、腐蚀、去光刻胶、硅片清洁处理；

其中曝光是：将硅片在光刻板上进行双面曝光；曝光的时间为35秒；

光刻板必须对准对好，确保隔离区的间距。

7.三氯氧磷扩散：

石英器具清洗；新处理的石英管在1200℃下高温处理1小时，后半小时可通氧，干燥后按预沉积条件通源饱和石英管2小时；扩散时源瓶保持在0℃；将烘干的硅片插在硅舟上；扩散炉预升温至1200℃，将装有硅片的硅舟放在炉口预热10分钟，再缓慢推入温区罩上磨口帽，通源，携带气体流量为900ml/min；当扩散温度升至1200℃时，开始计算时间，扩散时间根据结深要求而定，扩散时气体流量仍控制在900ml/min。扩磷采用POCL₃扩散，扩散表面杂质浓度为5×10²⁰～1×10²¹个cm^-3，结深为21～24μm；扩散结束后即降温。

8、烧结：

材料：硅片、钼片、铝片、石墨粉；将处理好的硅片用镊子钳在干净的滤纸上，放在红外线灯下烘干；将腐蚀好的铝片经丙酮脱水两次后钳在滤纸上，放在红外线下烘干，烘的时间尽量短，以免氧化，铝片应不氧化、缺角、缺圆、毛边、皱纹及漏空现象，不符合要求不烧。铝片厚度0.011-0.013mm；将钼片在干净的滤纸上，放在红外线下烘干，检查蒸铝面是否氧化或有裂纹；石墨粉存放在80℃烘箱内待用；

烧结装模：将以上烘干的各种片子放在干净的操作箱内；

装模顺序：钼片、铝片、硅片、石墨粉、按此重复；装好片子的石模上面放入预先准备好的压块，然后将其放入不锈钢夹具中，旋紧螺丝的中心对准压块中心，适度加压平整受力；

进炉烧结：真空抽至5×10^-3Pa时，炉体温度升到850℃，开始套炉升温，控制烧结温度恒温在610℃，恒温时间5分钟，恒温结束后，自然冷却，降至14mV抬炉，关扩散泵电炉；降至6mV，关机械泵，降至4mV，取出片子。

9、反刻：

甩胶、前烘、曝光、显影、定影、坚膜、保护、腐蚀、去胶。

10、合金：

将反刻结束后的管芯，用红外线灯烘干，管芯装模进烧结炉；炉体温度850℃，当真空度达到5×10^-3Pa时合金；退火温度500～510℃，恒温时间控制在10分钟；恒温结束后，机械泵继续抽气；当油泵冷却至室温时，可以关机械泵，关水；炉温降至100℃以下时出炉。

11.表面磨角：

按工艺要求在磨角机上对芯片进行表面造型。

12、腐蚀：

配酸、将磨好角的管芯放入塑料盆中、倒入混合酸，腐蚀三次，每次腐蚀后用大量去离子水冲洗，腐蚀结束后，用大量去离子水冲净，后在红外线灯下烘干涂Su₅硅漆。

13、保护：

将腐蚀好的管芯在红外线灯下烘干；用毛笔沾上Su₅硅漆沿管芯台面涂一层，涂漆均匀；涂好漆的管芯自然干燥数小时，进低温烘箱；将管芯取出，摆在塑料面盆中，倒入甲苯去黑胶，等黑胶去净后，用无水乙醇脱水，然后进烘箱进行高温固化；将固化好的管芯进行室温、高温中间参数测试，合格管芯进行封装。

Claims (5)

1.一种大功率双向晶闸管的生产方法，其主要工艺步骤为：硅片超砂、硼铝乳胶源扩散、化抛、机抛、氧化、光刻、三氯氧磷扩散、烧结、反刻、合金、表面磨角、腐蚀、保护，其特征在于：

所述的化抛工艺步骤为：对化抛面进行表面浓度分档、将不化抛一面用黑胶进行保护、对同一档表面浓度的片子进行化抛，化抛到工艺所要求的浓度、化抛液的配比为硝酸∶氢氟酸∶冰乙酸＝3∶1∶1，将化抛后的硅片用去离子水冲净酸液，丙酮脱水后用甲苯、超去黑胶，烘干；

所述的光刻工艺步骤为：将两只反向晶闸管在光刻板上定位，其之间的隔离区为1-1.4mm、硅片进行干燥处理、甩胶、前烘、曝光、显影、定影、坚膜、保护、腐蚀、去光刻胶；

所述的烧结工艺步骤为：将清洁处理好的硅片用镊子钳在干净的滤纸上，放在红外线下烘；铝片：将腐蚀好的铝片经丙酮脱水两次后钳在滤纸上，放在红外线下烘干；钼片：将钼片用镊子钳在干净的滤纸上，放在红外线下烘；石墨粉：存放在80±2℃烘箱内待用；

烧结装模顺序：钼片、铝片、硅片、石墨粉，按此重复；

进炉烧结：真空抽至5×10^-3Pa时，炉体温度升到850℃，开始套炉升温，控制烧结温度恒温，恒温结束后，自然冷却，降至14mV抬炉，关扩散泵电炉，降至6mV，放气出炉。

2.根据权利要求1所述的一种大功率双向晶闸管的生产方法，其特征在于：所述的光刻工艺中，将两只反向晶闸管在光刻板上定位，之间的隔离区为1.4mm，其扇形展开后θ＝2°，N型远端离中心线距离为2.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种大功率双向晶闸管的生产方法，其特征在于：所述的光刻工艺中曝光步骤为：将硅片在光刻机上进行双面曝光、曝光时间为30～45秒、光刻板必须对准对好，确保隔离区的间距。

4.根据权利要求1所述的一种大功率双向晶闸管的生产方法，其特征在于：所述的烧结工艺步骤中的铝片厚度为0.011-0.013mm。

5.根据权利要求1所述的一种大功率双向晶闸管的生产方法，其特征在于：所述的烧结工艺步骤中，烧结温度恒定在600～625℃，恒温时间为5±1分钟。