CN101752248A - 晶闸管管芯制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶闸管管芯制造工艺，其特征在于：包括：1)硼扩散，2)氧化，3)一次光刻，4)磷扩散，5)烧结，6)蒸发，7)合金，8)二次光刻，9)表面处理-镀镍，10)表面处理-镀银，11)三次光刻，12)磨角，13)表面腐蚀。本发明通过在原始的N型硅片上通过一次扩散-氧化-光刻-二次扩散，使之形成P-N-P-N四层结构，再在真空高温的条件下进行烧结键合，同时通过电子束高温将高纯铝气化在单晶硅片表面形成一层有效的保护膜，最后在烧结镀膜好的管芯表层分别进行镀镍和镀银处理，在管芯两端引出可焊接的阳极与阴极，从而可以在摒除传统搪铅工艺的同时，制备出可以适用既可焊接封装又可压接封装的完整的晶闸管管芯。

Description

晶闸管管芯制造工艺

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种晶闸管的制造工艺。

背景技术

传统焊接式晶闸管管芯的传统制造工艺是采用“双扩散-镀镍法”，通过将经过硼扩散(一次扩散)和磷扩散(二次扩散)的单晶硅片，表面进行化学镀镍，使之可以实现可焊接的工艺特性，再通过搪铅工艺，将单晶硅片与同样经过化学镀镍的钼片焊接在一起，在经过常规的磨角、表面腐蚀等工艺处理后，形成可焊接的晶闸管管芯，仅仅适用于焊接式晶闸管封装制造，此法的优点在于由于管芯中的核心部分枛单晶硅片，其表面经过化学镀镍处理后，可以顺利引出阴极电极，同时也使管芯具备了可焊接的工艺特性，简化了封装工艺，提高了焊接式晶闸管管芯生产效率；但是不足之处在于通过此种工艺制成的晶闸管管芯动态参数的重复性、一致性较差，高温特性差(焊接式晶闸管管芯根据电工类行业标准JB/T8950.1-1999，电流小于100A的晶闸管高温状态下的工作结温通常为115℃)，制成的管芯耐压等级低(通常焊接管芯耐压等级最高只能达到2000V)，等级合格率不高等缺点；而且由于此种工艺采取的是传统的手工搪铅，将单晶硅片与经过化学镀镍处理后的钼片(传统工艺中钼片需要进行化学镀镍后方可进行搪铅处理)进行搪铅工艺焊接形成管芯，人为因素干扰较多，导致管芯制造工效偏低，成品质量很难得到保证；更重要的是目前焊料通常是采用铅锡作为原辅料，致使成品管芯的铅含量明显过高，远远超过欧盟ROHS指令中对铅含量的要求(ROHS指令中对产品的铅含量要求：最高不得超过1000mg/kg)，严重影响到国内通过传统工艺制造的焊接式晶闸管及电力模块的出口。虽然目前国内已有厂家通过采用银锡等无铅焊料替代铅锡焊料来对管芯进行焊接，但是由于银锡等无铅焊料的熔点较之铅锡焊料高出许多(铅锡焊料熔点约为183℃，银锡等无铅焊料熔点至少在217℃以上)，无铅合金焊料润湿能力差，无法自动对正，焊接过程对操作人的熟练程度要求很高，同时焊接后的成品管芯的力学特性差，焊点很脆，经过碰撞很容易脱落，可靠性低，同时由于依旧是采用的是锡焊工艺，因此管芯的高温特性、耐压等级无法得到改善和提高。

发明内容

本发明的主要目的是：解决现有技术所存在的不足，从而制备出一种既可焊接封装又可压接封装的完整的晶闸管管芯制造工艺。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

1、一种晶闸管管芯制造工艺，其特征在于：

1)、硼扩散：采用特纯三氧化二硼和纯硝酸铝配置杂质源，将杂质源涂抹在制备好的单晶硅片表面，放置于1100℃~1300℃的扩散炉中，恒温20-40h，在大气中扩散，使硅片表面生成硼硅玻璃体，形成P-N-P结构，即j1结和j2结，然后进行抛光处理；

2)、氧化：将硼扩散好的硅片，先采用清洗溶液对硅片进行表面清洗，脱水待用，然后将清洗脱水后的硅片放入扩散炉中进行氧化处理：其中干氧50-70分钟，湿氧130-160分钟，干氧50-70分钟，湿氧110-150分钟，干氧80-120分钟；

3)、一次光刻：对氧化好的硅片，采用常规的光刻工艺进行第一次光刻处理，去除硅片阴极部分的二氧化硅层；

4)、磷扩散：对一次光刻好硅片进行清洁处理，采用高纯的三氯氧磷做为扩散的杂质源，按光刻图形进行选择扩散，使硅片形成P-N-P-N四层结构，即：j1结、j2结和j3结；

5)、烧结：将磷扩散好的硅片，与纯铝箔和钼片装片在一起，置于烧结炉进行烧结处理，使硅片与钼片有效键合在一起，烧结时炉温设置为：700-800℃，烧结时间为10-30分钟；

6)、蒸发：将烧结好的管芯置于镀膜机内进行真空蒸发镀膜处理，通过电子束高温，将纯铝部分直接气化镀膜在硅片表层，形成欧姆接触层，最终引出管芯的阴极、控制极电极，形成的常规的晶闸管管芯结构；

7)、合金：将蒸发好的晶闸管管芯放入烧结炉中，在真空状态，通过设定的温控程序即：开炉温度设定在：520-550℃，时间在10-30分钟，进行合金处理；

8)、二次光刻：对合金后的晶闸管管芯，采用传统的光刻工艺进行第二次光刻处理，在合金好后的管芯表面光刻形成门极放大图形；

9)、表面处理-镀镍：将经过烧结蒸发后的管芯，采用电子电镀工艺或蒸发镀膜，对管芯表层进行镀镍处理，使管芯表层的铝与镀层金属镍之间形成有效的欧姆接触，镀层厚度应控制在3-50μm范围内；

10)、表面处理-镀银：将经过镀镍处理后的晶闸管管芯，采用电子电镀或蒸发镀膜，对管芯表层再进一步进行镀银处理，镀层厚度应控制在3-50μm范围内；

11)、三次光刻：经过镀镍、镀银处理后的晶闸管管芯做第三次光刻，使管芯表层形成最终的门极放大图形。

12)、磨角：将第二次光刻好的晶闸管管芯用W20的金刚砂，用磨角机磨出2.5度-5度的负斜角和20度-35度的正斜角，磨角完成后用滤纸将管芯表层吸干水分后，待用；

13)、表面腐蚀：将磨角后的晶闸管管芯通过腐蚀机进行管芯表面腐蚀，最终使管芯形成有效的阻断电压；

本发明通过在原始的N型硅片上通过一次扩散(硼扩散)-氧化-光刻-二次扩散(磷扩散)制造工序，使之形成P-N-P-N四层结构(即：j1结、j2结和j3结)，再采取烧结蒸发镀膜工艺，以高纯铝作为单晶硅片与钼片的键合介质，在真空高温的条件下进行烧结键合，同时通过电子束高温将高纯铝气化在单晶硅片表面形成一层有效的保护膜，由于高纯铝的金属离子较之传统工艺采用的铅，在表面腐蚀过程中更易于清除，这样可以确保管芯动态特性的稳定和一致，最后在烧结镀膜好的管芯表层分别进行镀镍和镀银处理，在管芯两端引出可焊接的阳极与阴极，从而可以在摒除传统搪铅工艺的同时，制备出可以适用既可焊接封装又可压接封装的完整的晶闸管管芯。

本发明的有益效果：

本发明是对传统的焊接式晶闸管管芯制造工艺的创新改进，在管芯的制造过程中，创新性地采用“双扩散——烧结蒸发多层金属电子电镀电极引出法”。通过高度自动化的工艺改进，完全摒除了传统焊接式晶闸管管芯制造工艺中的手工搪铅工序，不仅简化了管芯制造工序，而且使管芯能彻底实现无铅化，完全符合欧盟ROHS指令对铅含量的限制要求。同时对烧结后的单晶硅片分别经过镀镍和镀银处理，从而借助镍、银的金属镀层的金属特性，使管芯不经过传统的搪铅工艺即可具备可焊接的特性，不仅可以在管芯的上表层(单晶表层)形成多层金属镀层(由内至外依次为：铝、镍、银)，同时也在管芯的下表层也形成多层金属镀层(由内至外依次为：镍、银)，通过单晶硅片表层蒸发镀膜形成的铝层和金属镀层-镍之间形成有效的欧姆接触，再利用镀银层中良好的导电性能，可以大大提高晶闸管管芯的焊接特性。由于过程中完全摒除了传统的制备焊接式晶闸管管芯所必备的搪铅工艺，彻底实现了管芯无铅化生产，同时也使产品的耐压等级可以从常规工艺中的最高2000V提升到3000V以上，极大地改良了管芯的高温特性(新工艺制造的焊接式晶闸管管芯可以将高温状态下的工作结温可以统一提升到125℃)产品参数特性得到大大增强。采用此种工艺制备的晶闸管管芯，既可以焊接封装，同时也可以压接封装。由于管芯外表层是镀银层，由于银的良好导电性能，使压接封装的时候，管芯与管壳、管帽的内表层形成更好的接触。克服了传统工艺制备的晶闸管管芯接触压降高的缺点。高温特性优良，大大提升了管芯的动态参数的稳定性和可靠性。同时由于此新型工艺过程中没有采用人工搪铅，客观上提高了管芯工艺的机械化程度，提高了管芯的等级合格率。因而可以广泛替代国内传统搪铅工艺制造的晶闸管管芯，可以适用于各类螺栓型晶闸管管芯、平板型压接式晶闸管管芯及电力模块用管芯等的批量生产制造。

附图说明

附图1是本发明的一种结构剖面示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中：1是阳极，2是银层，3是镍层，4是钼片，5是硅片SCR结构，6是铝层，9是控制极，10是阴极。

实施例1：

本发明具体制造工艺和步骤如下所述，其中硼扩散、氧化、一次光刻、磷扩散、二次光刻、表面腐蚀、磨角均为常规的晶闸管管芯的制造方法。

1、硼扩散：采用常规涂层扩散法，采用特纯三氧化二硼和纯硝酸铝配置杂质源，将杂质源涂抹在制备好的单晶硅片表面，放置于1200℃的扩散炉中，恒温25h，在大气中扩散，使硅片表面生成硼硅玻璃体，形成P-N-P结构(即形成j1结和j2结)，然后进行抛光处理；

2、氧化：将硼扩散好的硅片，先采用清洗溶液对硅片进行表面清洗，脱水待用，然后将清洗脱水后的硅片放入扩散炉中进行氧化处理，其中干氧50分钟，湿氧130分钟，干氧60分钟，湿氧120分钟，干氧90分钟，按照调试好的氧化运行曲线进行氧化处理；

3、一次光刻：对氧化好的硅片，采用常规的光刻工艺进行第一次光刻处理，去除硅片阴极部分的二氧化硅层，保证后期磷扩散的顺利进行；

4、磷扩散：对一次光刻好硅片进行清洁处理，采用高纯的三氯氧磷做为扩散的杂质源，按光刻图形进行选择扩散，使硅片形成P-N-P-N四层结构(即：j1结、j2结和j3结)。

5、烧结：将磷扩好的硅片，与纯铝箔和钼片装片在一起，置于烧结炉进行烧结处理，使硅片与钼片有效键合在一起；

6、蒸发：将烧结好的管芯置于镀膜机内进行真空蒸发镀膜处理，通过电子束高温，将纯铝部分直接气化镀膜在硅片表层，形成欧姆接触层，最终引出管芯的阴极、控制极电极，形成的常规的晶闸管管芯结构；

7、合金：将蒸发好的晶闸管管芯放入烧结炉中，在真空状态，通过设定好的温控程序对管芯进行合金处理；

8、二次光刻：对合金后的晶闸管管芯，采用传统的光刻工艺进行第二次光刻处理，在合金好后的管芯表面光刻形成门极放大图形；

9、表面处理-镀镍：将经过烧结蒸发后的管芯，对管芯表层进行电子电镀镀镍处理，使管芯表层的铝与镀层金属镍之间形成有效的欧姆接触，确保管芯的动态参数保持良好的稳定性和一致性；

10、表面处理-镀银：将经过镀镍处理后的晶闸管管芯表层，进行电子电镀镀银处理，使管芯表层最终具备良好的导电性能；

11、三次光刻：经过镀镍、镀银处理后的晶闸管管芯由于镀层将原有光刻后的门极放大图形覆盖，因而需要做第三次光刻，使管芯表层能形成最终的门极放大图形。

12、磨角：将第二次光刻好的晶闸管管芯用W20的金刚砂，用磨角机磨出3度的负斜角和30度的正斜角，磨角完成后用滤纸将管芯表层吸干水分后，待用。

13、表面腐蚀：将磨角后的晶闸管管芯通过腐蚀机进行管芯表面腐蚀，最终使管芯形成有效的阻断电压。

实施例2：

本发明具体制造工艺和步骤如下：

1、硼扩散：采用常规涂层扩散法，采用特纯三氧化二硼和纯硝酸铝配置杂质源，将杂质源涂抹在制备好的单晶硅片表面，放置于1400℃的扩散炉中，恒温40h，在大气中扩散，使硅片表面生成硼硅玻璃体，形成P-N-P结构(即形成j1结和j2结)，然后进行抛光处理；

2、氧化：将硼扩散好的硅片，先采用清洗溶液对硅片进行表面清洗，脱水待用，然后将清洗脱水后的硅片放入扩散炉中进行氧化处理，其中干氧60分钟，湿氧150分钟，干氧60分钟，湿氧130分钟，干氧100分钟，按照调试好的氧化运行曲线进行氧化处理；

9、表面处理-镀镍：将经过烧结蒸发后的管芯，对管芯表层进行蒸发镀膜工艺镀镍，使管芯表层的铝与镀层金属镍之间形成有效的欧姆接触，确保管芯的动态参数保持良好的稳定性和一致性；

10、表面处理-镀银：将经过镀镍处理后的晶闸管管芯表层，再进一步进行蒸发镀膜工艺镀银，使管芯表层最终具备良好的导电性能；

12、磨角：将第二次光刻好的晶闸管管芯用W20的金刚砂，用磨角机磨出5度的负斜角和34度的正斜角，磨角完成后用滤纸将管芯表层吸干水分后，待用。

其他工艺如实施例1。

Claims (2)

1.一种晶闸管管芯制造工艺，其特征在于：

1)、硼扩散：采用特纯三氧化二硼和纯硝酸铝配置杂质源，将杂质源涂抹在制备好的单晶硅片表面，放置于1100℃~1300℃的扩散炉中，恒温20-40h，在大气中扩散，使硅片表面生成硼硅玻璃体，形成P-N-P结构，即j1结和j2结，然后进行抛光处理；

2)、氧化：将硼扩散好的硅片，先采用清洗溶液对硅片进行表面清洗，脱水待用，然后将清洗脱水后的硅片放入扩散炉中进行氧化处理：其中干氧50-70分钟，湿氧130-160分钟，干氧50-70分钟，湿氧110-150分钟，干氧80-120分钟；

3)、一次光刻：对氧化好的硅片，采用常规的光刻工艺进行第一次光刻处理，去除硅片阴极部分的二氧化硅层；

4)、磷扩散：对一次光刻好硅片进行清洁处理，采用高纯的三氯氧磷做为扩散的杂质源，按光刻图形进行选择扩散，使硅片形成P-N-P-N四层结构，即：j1结、j2结和j3结；

5)、烧结：将磷扩散好的硅片，与纯铝箔和钼片装片在一起，置于烧结炉进行烧结处理，使硅片与钼片有效键合在一起，烧结时炉温设置为：700-800℃，烧结时间为10-30分钟；

6)、蒸发：将烧结好的管芯置于镀膜机内进行真空蒸发镀膜处理，通过电子束高温，将纯铝部分直接气化镀膜在硅片表层，形成欧姆接触层，最终引出管芯的阴极、控制极电极，形成的常规的晶闸管管芯结构；

7)、合金：将蒸发好的晶闸管管芯放入烧结炉中，在真空状态，通过设定的温控程序：开炉温度设定在：520-550℃，时间为10-30分钟，进行合金处理；

8)、表面处理-镀镍：将经过烧结蒸发后的管芯，采用电子电镀工艺或蒸发镀膜，对管芯表层进行镀镍处理，使管芯表层的铝与镀层金属镍之间形成有效的欧姆接触，镀层厚度应控制在3-50μm范围内；

9)、表面处理-镀银：将经过镀镍处理后的晶闸管管芯，采用电子电镀或蒸发镀膜，对管芯表层再进一步进行镀银处理，镀层厚度应控制在3-50μm范围内；

10)、三次光刻：经过镀镍、镀银处理后的晶闸管管芯做第三次光刻，使管芯表层形成最终的门极放大图形；

11)、磨角：将第二次光刻好的晶闸管管芯用W20的金刚砂，用磨角机磨出2.5度-5度的负斜角和20度-35度的正斜角，磨角完成后用滤纸将管芯表层吸干水分后，待用；

12)、表面腐蚀：将磨角后的晶闸管管芯通过腐蚀机进行管芯表面腐蚀，最终使管芯形成有效的阻断电压。

2.根据权利要求1所述的晶闸管管芯制造工艺，其特征在于：在7)、合金处理工艺后进行二次光刻工艺，对合金后的晶闸管管芯，采用传统的光刻工艺进行第二次光刻处理，在合金好后的管芯表面光刻形成门极放大图形。

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