CN117923802A - 半导体器件钝化用无铅玻璃粉及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件钝化用无铅玻璃粉及其应用，该无铅玻璃粉按质量百分比计，包括如下组分：ZnO 60～70%，B2O318～28%，SiO210～15%和RxOy 0.01～5%，其中RxOy为SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3中的一种或多种。本发明提供的玻璃粉中不含铅、锑等有害成分，通过锌系玻璃粉的基本成分中的ZnO、B2O3、SiO2各成分合适的配比，并引入SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3等成分在结晶后能提高正向及反向耐压的重要成分，使得玻璃粉可以在700～750℃的相对低温下烧结结晶，结晶后热膨胀系数与半导体材料硅片相接近，不会造成硅片的翘片及裂片，并且正向和反向耐压都较高。
Description
技术领域
本发明涉及用于玻璃钝化台面型半导体器件表面稳定的材料，具体地，涉及一种半导体器件钝化用无铅玻璃粉及其应用。
背景技术
含有PN结的半导体器件，特别是玻璃钝化台面型整流二极管、单向可控硅、双向可控硅、三极管等，为了防止因外部影响导致的半导体器件特性劣化，会在半导体器件的PN结上直接覆盖玻璃粉形成绝缘层，来生产性能稳定且不受时间影响的高可靠性半导体器件。为了获得良好的绝缘效果，上述用于半导体器件表面稳定的玻璃粉通常需要具备以下性能：1）热膨胀系数与半导体器件的硅片相近；2）半导体器件的电特性，即正向和反向电压的耐压高；3）为防止半导体器件劣化，玻璃粉的烧结温度要尽可能的低（最好低于800℃）；4）不含有对半导体器件有不利影响的Na、K、Li等碱金属及Fe、Cr、Cu等金属杂质；5）优越的耐酸性等。
目前半导体器件使用的主流玻璃粉是铅系玻璃粉，其主要成分是PbO-SiO2-Al2O3或PbO-B2O3-SiO2-Al2O3。主流使用铅系玻璃粉的原因有以下三点：1）其热膨胀系数小，覆盖在半导体器件上时，作为半导体器件材料的硅片很少发生翘片或者裂片；2）半导体器件的电特性，即正向和反向的耐压高；3）因其优越的耐酸性，在用到强酸化剂处理的半导体工艺中不容易造成器件特性劣化。但是，由于含有铅成分的氧化铅（PbO）对人体对环境存在有害性，所以不允许使用铅系玻璃粉已是大势所趋，且在不断加快。
主要成分是ZnO-B2O3-SiO2的锌系玻璃粉目前只限定用于一小部分特定半导体器件中。锌系玻璃粉中仅含有少量的氧化铅，或者完全不含氧化铅，不会结晶，在使用时，虽然会显示出和铅系玻璃粉同样优越的电特性，但是由于其膨胀系数高，所以容易引起作为半导体器件材料的硅片翘片及裂片。通过使锌系玻璃粉结晶来减小膨胀系数，虽然可以减少硅片的翘片及裂片，但是其半导体器件的电特性，即正向和反向耐压会产生由于结晶而导致耐压下降的问题，所以锌系玻璃粉只能用在特定的少数半导体器件中。
现在正在研究的将SiO2-B2O3-Al2O3玻璃粉作为半导体覆盖用的玻璃粉，是不含铅成分，具有和铅系玻璃粉同样优越的耐酸性。但是，因为其含有大量的SiO2及Al2O3，所以烧结温度需达到900℃以上，这不仅会容易造成半导体器件性能的劣化，而且和半导体器件的接触性也不好，电特性即正向和反向的耐压低，同时漏电流大。
发明内容
针对上述不含铅玻璃粉存在膨胀系数高、烧结温度高和电特性低的问题，本发明提供了一种半导体器件钝化用无铅玻璃粉及其应用，该玻璃粉不含铅成分，能够在相对低温条件下烧结结晶，使其膨胀系数与作为半导体器件材料的硅片相接近，覆盖在硅片表面后，不会发生翘片裂片，同时具有在结晶后正向和反向耐压高的出色的电特性。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种半导体器件钝化用无铅玻璃粉，该玻璃粉按质量百分比计，包括如下组分：ZnO 60～70%，B2O318～28%，SiO210～15%和RxOy0.01～5%，其中RxOy为SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3中的一种或多种。
ZnO是玻璃粉中大量含有的成分，能够稳定玻璃粉的性能，也是对其能否结晶产生影响的成分。ZnO的含量在60～70%，优选在65～70%。少于60%时，不易结晶；多于70%时，不易获得均匀结晶的玻璃粉。
B2O3与ZnO一样，也是影响结晶化的成分。B2O3的含量最好在18～28%。小于18%时，在玻璃粉熔化中易产生结晶，不易得到均匀结晶的玻璃粉，大于28%时则不易结晶。
SiO2是稳定玻璃粉结构的成分，其含量最好在10～15%。小于10%时，结晶后的热膨胀系数增大，大于15%时，SiO2在熔化中会产生未溶解物，不能得到均匀的玻璃粉。
发明人特别发现，B2O3和SiO2的用量比例是影响本发明结晶的重要因素。希望B2O3/SiO2的比例不大于2.4，最好不大于2.0。当大于2.4时，玻璃粉很难结晶，因此热膨胀系数变大，半导体器件材料的硅片容易翘片裂片。小于2.0时，玻璃粉更容易结晶，细小的晶体均匀的从玻璃粉中析出，热膨胀系数变低，半导体器件材料硅片的翘片和裂片就不会发生了。
另外，发明人还发现SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3等成分是结晶后提高正向及反向耐压的特别重要的成分。可在玻璃粉中添加SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3成分中的一种或多种，含量在0.01～5%，（特别推荐0.01～3%），小于0.01%则反向耐压不高，大于5%则在玻璃粉熔化中产生未溶解物，得不到均匀的玻璃粉。
为了使本发明的玻璃粉均匀结晶化，将含有氧化锌（ZnO）成分的ZnO、2ZnO·SiO2、ZnO·B2O3、3ZnO·B2O3、4ZnO3·B2O3等结晶粉末中的一种或多种混合到上述玻璃粉成分中，以上述玻璃粉100g为单位，混入0.01～5g结晶物，最好是0.01～3g。结晶物用量如果小于0.01g，就不能充分发生结晶化，则热膨胀系数不会下降，从而不能得到与半导体器件硅片相近的热膨胀系数；结晶物用量如果大于5g，结晶化过强，玻璃粉的流动性较差，则不能和半导体器件紧密结合。
上述玻璃粉在结晶后，在30～300℃的温度范围内，其热膨胀系数能达到2.5×10-6～4.0×10-6/℃，当覆盖在半导体元件材料的硅片上时，不会发生硅片的翘片和裂片。
此外，本发明还提供了一种上述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉在制备半导体器件钝化用材料中的应用。
过去的研究使用了很多将玻璃粉涂抹到半导体器件上的方法，现在一般使用刀刮法、电泳法和光刻旋转法。刀刮法是最简单方便的方法，但是由于其与含有少量树脂的有机溶剂混合涂抹，所以难以完全去除树脂。而且在台面半导体中，存在台面槽边缘部分的玻璃粉变薄，导致正向和反向的耐压不好等问题。光刻旋转法虽然能够在台面槽的边缘部分形成较厚的玻璃粉，但由于其含有大量光刻胶，导致光刻胶难以完全去除，存在发生电特性不良现象的问题。
使用本发明的玻璃粉时推荐电泳法，有以下两个理由：第一，通过电泳法选择性地将玻璃粉只涂抹在台面槽边缘上，这样可以省去除去台面槽以外部分的玻璃粉的后续工序，避免锌系玻璃粉本身不耐强酸的弱点，从而克服锌系玻璃粉耐酸性的问题。第二，电泳法完全不含有机树脂成分，同时通过选择合适的电解质，可以在台面边缘部分形成厚而牢固的玻璃粉膜，从而使正向和反向的耐压更高。
通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：
1、本发明提供的玻璃粉中不含铅、锑等有害成分，通过锌系玻璃粉的基本成分中的ZnO、B2O3、SiO2各成分合适的配比，并引入SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3等成分在结晶后能提高正向及反向耐压的重要成分，使得玻璃粉可以在700～750℃的相对低温下烧结结晶，结晶后热膨胀系数与半导体材料硅片相接近，不会造成硅片的翘片及裂片，并且正向和反向耐压都较高。
2、本发明中，B2O3和SiO2的质量比不大于2.4，最好不大于2.0，这样玻璃粉更容易结晶，细小的晶体能够均匀地从玻璃粉中析出，使热膨胀系数变低，避免了半导体器件材料硅片的翘片和裂片。
3、在本发明的一个优选技术方案中，通过在玻璃粉中配合使用含有氧化锌的晶体，进一步提升晶体析出的均匀性。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
表1和表2分别是实施例和对比例的成分和用量。
表1 实施例成分及用量（单位：g）
表2 对比例成分及用量（单位：g）
首先将ZnO、B2O3、SiO2和SnO2（如无，则省略）等原料粉末均匀混合，在1200～1400℃下熔融1～2小时使其玻璃液体化。将熔融玻璃急速冷却后放入球磨机中粉碎成粉末，之后加入含有氧化锌成分的结晶物（如无，则省略该步骤），均匀混合后得到半导体器件用的玻璃粉。
性能测试
在700～750℃下烧结结晶后的烧结物用TMA测定其30～300℃的平均热膨胀系数。
覆盖半导体器件时的翘片情况是通过电泳法将玻璃粉涂抹在4寸台面型正向与反向设计耐压在800V的晶闸管产品上，在其烧结并结晶后来判断。完全不翘片的用○，翘曲较大出现裂片的用×来表示。
半导体元件的电特性用曲线图示仪评价在电流值为10μA时晶闸管的正向及反向的耐压。显示800V以上的为合格。
各性能测试结果如表3所示。
表3 性能测试结果
从表3可以看出：
（1）实施例获得了较低的热膨胀系数，为2.5×10-6～3.4×10-6/℃，而对比例的热膨胀系数均在3.8×10-6/℃以上，相较于对比例，实施例的玻璃粉的热膨胀系数与半导体材料硅片更接近，没有出现硅片翘片或裂片的情况，而对比例1和对比例3因热膨胀系数高，导致硅片出现了翘片或裂片；
（2）对比例1中B2O3和SiO2的质量比为2.5，超过了实施例中的2.4的最大值，且因对比例1中未添加SnO2，其正向和反向耐压远低于实施例；
（3）对比例2与实施例相比，因对比例1中未添加SnO2，其正向和反向耐压远低于实施例，相差一倍以上；
（4）对比例3与实施例相比，虽然都添加了SnO2等物质，但因对比例3中B2O3和SiO2的质量比为2.5，超过了实施例中的2.4的最大值，其正向和反向耐压仍低于实施例。
以上结合实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，按质量百分比计，包括如下组分：ZnO 60～70%，B2O3 18～28%，SiO2 10～15%和RxOy 0.01～5%，其中RxOy为SnO2、In2O3、ZrO2、TiO2、Bi2O3、La2O3、Nd2O3中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，ZnO的含量为65～70%。
3.根据权利要求1所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，B2O3和SiO2的质量比≤2.4。
4.根据权利要求3所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，B2O3和SiO2的质量比≤2.0。
5.根据权利要求1所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，RxOy的含量为0.01～3%。
6.一种半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，包括含有氧化锌成分的结晶物和权利要求1至5中任一项所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，相对于100g权利要求1至5中任一项所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，所述结晶物的用量为0.01～5g。
7.根据权利要求6所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，相对于100g权利要求1至5中任一项所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，所述结晶物的用量为0.01～3g。
8.根据权利要求6所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，所述结晶物为ZnO、2ZnO·SiO2、ZnO·B2O3、3ZnO·B2O3、4ZnO3·B2O3结晶粉末中的一种或多种。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉，其特征在于，在30～300℃的温度范围内，该材料的热膨胀系数为2.5×10-6～4.0×10-6/℃。
10.权利要求1至9中任一项所述的半导体器件钝化用无铅玻璃粉在制备半导体器件钝化用材料中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |