DE3050032C2

DE3050032C2 - Gettervorrichtung zum elektrochemischen Beseitigenvon Wasser

Info

Publication number: DE3050032C2
Application number: DE19803050032
Authority: DE
Inventors: James Savery
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1980-11-07
Publication date: 1987-06-11
Also published as: GB2075064B; JPS6119118B2; EP0043818A1; DE3050032T1; CA1185920A; US4280885A; JPS56501785A; GB2075064A; WO1981001423A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gettervorrichtung zum elektrochemi schen Beseitigen von Wasser bzw. Wasserdampf aus Bauelementen, insbesondere aus Halbleiter-Bauelementen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Halbleiterbauelemente werden üblicherweise in möglichst dichten Gehäusen in einer Schutzgasatmosphäre betrieben, die typischer weise weniger als 1 bis 2 ppm Wasserdampf enthält. Der niedrige Wasserdampfgehalt ist erforderlich, um auch über längere Zeit einen einwandfreien Betrieb der Halbleiterbauelemente zu gewähr leisten. Nun besteht aber die Gefahr, daß der Wasserdampfgehalt innerhalb des Gehäuses im Laufe der Benutzungszeit des Halb leiterbauelementes ansteigt. Dieser Anstieg des Wasserdampfgehalts kann eine Folge der Ausbildung von Haarrissen im Gehäuse sein. Eine weitere Ursache für den Anstieg des Wasser dampfgehalts liegt im Material der Halbleiterbauelemente selbst, die im Laufe der Zeit Wasser abgeben können. Die eingangs genannte, innerhalb des Bauelementegehäuses an geordnete Gettervorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolyse, überführt also Wasser oder Wasserdampf in Wasserstoff- und Sauerstoffgase. Diese Gasatmosphäre füllt den Innenraum des Bauelementgehäuses unter leichtem Überdruck aus und verhindert damit Zutritt von wasser dampf in das Halbleiterbauelement hinein.

Eine eingangs genannte Gettervorrichtung ist aus der US-PS 39 43 557 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrich tung, die der Feuchtemessung innerhalb des Gehäuses dient, sind die Leiter, zwischen denen die Elektro lyse des Wassers stattfindet, auf einer hygroskopischen Kobaltoxidschicht ausgebildet, die entweder auf einem Keramiksubstrat oder direkt auf einer Halbleiteroberfläche ausgebildet ist. Nachteilig bei dieser bekannten Gettervorrichtung ist es, daß die hygroskopische Schicht in einem getrennten Ver fahrensschritt zusätzlich zur Fertigung des Halbleiter materials hergestellt werden muß.

Eine weitere Gettervorrichtung ist aus der DE-OS 26 39 312 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung umfaßt einen tabletten förmigen Preßling aus Diphosphorpentoxid, der als Trocken mittel dient und in eine offene Hülle eingesetzt ist, die im Gehäuse eines Halbleiterbauelements angeordnet ist. Diese bekannte Gettervorrichtung erfordert eine gesonderte Befestigung innerhalb des Bauelementegehäuses und weist zudem den Nachteil auf, daß das Trockenmittel im Laufe der Betriebszeit mit zunehmender Aufnahme von Wasser an Wirksamkeit verliert.

Schließlich ist aus der US-PS 31 88 283 ein allgemeines Trocknungsverfahren mittels einer elektrochemischen Zersetzung von hygroskopisch gebundenem Wasser bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Gettervorrichtung zum elektrochemischen Besei tigen von Wasser bzw. Wasserdampf aus Bauelementen, insbesondere aus Halbleiterbauelementen, zu schaffen, die gemeinsam mit dem Halbleiterbauelement hergestellt werden kann, ohne daß zusätz liche Fertigungsschritte erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnen den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist es also vorgesehen, einen Oberflächen abschnitt des Halbleiterbauelements als hygroskopisch isolierende Oberflächenschicht für die Gettervorrichtung auszu bilden, und zwar durch Oxidation des dotierten Ober flächenabschnitts. Damit kann die erfindungsgemäße Getter vorrichtung ohne einen zusätzlichen Fertigungsschritt zu sammen mit der Fertigung des Halbleiters geschaffen werden.

Vorteilhafterweise wird als Halbleitermaterial Silicium und als Dotierungsmittel Phosphor verwendet, wobei die Oxiddicke vorteilhafterweise zwischen 3000 Å und 10 000 Å und der Anteil an Phosphoroxid zwischen 0,2 bis 8 mol-% P₂O₅ beträgt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Gettervorrichtung liegt der Zwischenraum zwischen den Leitern in der Größenord nung von etwa 0,001 mm und 0,024 mm und die Spannung zwischen ihnen liegt im Bereich von etwa 1 V bis 50 V. Das bevorzugte Leitermaterial ist Chrom-Gold und die Länge der Leiter beträgt vorteilhafterweise zwischen 0,03 cm und 0,3 cm, während die elektrische Feldstärke zwischen 400 V/cm und 100 000 V/cm beträgt.

Die Erfindung soll im nachfolgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden; in diesen zeigt

Fig. 1 eine isometrische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsge mäßen Gettervorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt im Anschlußbereich der Gettervorrichtung von Fig. 1, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der typischen Strom änderung in der Gettervorrichtung bei unterschied licher Feuchtigkeit für verschiedene angelegte Spannungen.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Gettervorrichtung, die für Halbleiter, integrierte Schalt kreise, Mikro-Schaltkreise, Flüssigkristallanzeigeelemente und eine Reihe ähnlicher Anwendungen geeignet ist, in einer vergossenen Unterbaugruppe oder einem Gehäuse H mit anderen elek tronischen Bauelementen, die allgemein mit C bezeichnet sind, dargestellt. Die Gettervorrichtung ist in der Form eines Paares sich nebeneinander koplanar ineinander verschlungenen Spiralelektroden 1 und 3, beispielsweise aus Gold oder Goldlegierung, dargestellt, die, wie später vollständiger beschrieben wird, auf einer ebenen isolierenden Schicht 2, beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht, niedergeschlagen sind. Die Siliziumdioxidschicht ist dotiert oder mit einem hoch-hygroskopischen Material, wie Phosphoroxid (P₂O₅), kombiniert und ist auf einem Siliziumsubstrat 4 ausgebildet.

Bei der Ausbildung einer solchen Struktur können entweder N- oder P-Typ-Siliziumscheiben 4 verwendet werden. Durch Aufwachsen der Oxidbedeckung 2 bei hoher Temperatur wird eine relativ dicke isolierende Silizium dioxidschicht 2 gebildet, deren Dicke mehr oder weniger in der Größenordnung von 3000 bis 10 000 Å liegt. In der zuvor beispielhaft beschriebenen Konstruktion kann Phosphor als Dotierungsmittel in den Ofen eingebracht werden, um ein Glas in Kombination mit dem Siliziumdioxid zu erzeugen, das ein gutes absorbierendes Material für Wasserdampf ist.

Die Struktur 2 kann dann in jedem gewünschten geometrischen Muster metallisiert werden, um sich nebeneinander erstreckende Leiter auszubilden, indem darauf Schichten aus beispiels weise Chrom und Gold aufgebracht werden. Das Chrom wird beispielsweise in einer Dicke von 1000 Å oder weniger aufgebracht, um eine auf der phosphor-dotierten Siliziumdioxidglasschicht 2 haftende Oberfläche zu bilden. Das Gold wird dann in einer dünnen Schicht auf der Oberseite des Chroms aufgebracht, um einen Verbindungsbereich zu schaffen. Diese spezielle Technik des Aufbaus einer Chrom- Gold-Struktur zu erzeugen, stellt nicht nur Leiterbahnen sicher, die nicht zerfressen werden können oder korrodieren (wegen der nicht-oxidierenden Eigen schaften von Gold), sondern sie ermöglicht die fertige Aus bildung geeigneter Anschlußbereiche 1′ und 3′, die sich mit Elektrodenelementen verbinden und an die Golddrähte 1′′ und 3′′ angebracht werden, um einen Kontakt nach außen vom Bau element herzustellen, wo Leitungsdrähte angelötet werden können (Fig. 2).

Es wurde gefunden, daß, wenn die Elektroden 1 und 3 geeignet dicht benachbart sind und geeignete Abmessungen haben, die Elektrolyse schnell unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zwischen den Leitern stattfindet, das durch sehr niedrige Gleichspannungspotentiale oder -spannungen erzeugt wird, die zwischen die Leiter gelegt sind, wodurch die aktive kontinuierliche Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoff-Gase innerhalb des Gehäuses durchgeführt wird und in beachtlicher Weise die Funktion der Bauelemente oder Schaltkreise C innerhalb der Unterbaugruppe H gegen jegliche wesentliche Verschlechterung im Betrieb aufrechterhalten wird.

Die dargestellte verschlungene, nebeneinandererstreckte Spiralelektrodenanordnung ist vorteilhaft. Mit Spiral elektrodengesamtlängen von ungefähr 0,3 cm (typische ver wendbare Längen liegen in der Größenordnung zwischen 0,03 und 0,3 cm), die einen Flächenbereich von ungefähr 0,0031 cm² bedecken, einer Leiterbreite von ungefähr 0,025 mm und einem im wesentlichen gleichförmigen Leiterabstand von ungefähr 0,025 mm (innerhalb der Grenzen im Größenbereich von etwa 0,01 bis 0,025 mm) hat sich erwiesen, daß niedrige Gleich spannungen, die zwischen die Leiterzüge 1′ und 3′ in der Größenordnung von ungefähr 5,0 bis 10 V liegen, Wasserdampf und darin gelöste Verunreinigungen kontinuierlich und mit schneller Wirksamkeit entfernen. Die hygroskopische, isolierende Oberflächenschicht 2 hat vorteilhaft eine Dicke von 8000 Å.

Bezugnehmend auf die grafische Darstellung von Fig. 3 wächst der Betrag des auf der Ordinate aufgetragenen Stromes mit dem auf der Abzisse aufgetragenen Wasserdampfgehalt, wobei die Anordnung über weite Bereiche betriebsfähig ist, wenn ausreichend P₂O₅ vorgesehen ist, wie nachfolgend noch er läutert wird, und die Anordnung ist dann nicht speziell spannungsabhängig. Der Betrieb ist für 5, 10 und 15 Volt im unteren Bereich der Fig. 3 aufgezeichnet, mit entsprechend ungefähr 1,5 Mol%, 1,5 Mol% und 4,5 Mol% P₂O₅. Die oberste flach verlaufende Kurve erhielt man für weniger als 0,1 Mol% P₂O₅ und sie zeigt, daß der kritische charakteristische Betriebsbereich der Erfindung mit solchen Dotierungsgrößen nicht erreicht werden kann.

Der Anteil des Phosphors oder anderer Dotierungsmittel zur Erzeugung der hygroskopischen Effekte ist wichtig. Wenn zuviel Phosphor eingesetzt wird, dann ergeben sich sehr niedrige Widerstände im Gegensatz zu den gewünschten mehreren Hundert MΩ. Zuviel Phosphor führt zum direkten Strom durch die oxidischen Oberflächenschichten, und anstelle der Elektrolyse des Wassers lösen sich Bereiche des Glases auf. Bevorzugte Mengen von Phosphor liegen zwischen etwa 0,2 und 8 Mol% P₂O₅ (im allgemeinen größer als 0,1 Mol%), mit dickeren Oxiden für Bauelemente höherer Spannung.

Man hat gefunden, daß bei einer angelegten Gleichspannung von weniger als 1,5 V die Getterwirkung beginnt träge zu werden.

Während die Erfindung in Verbindung mit einer separaten Gettervorrichtung in dem Gehäuse H dargestellt worden ist, so ist doch klar, daß selbige auch Teil eines inte grierten oder Mikro-Schaltkreis-Chips 2 bis 4 sein und während der Herstellung dieses Chips mit hergestellt werden kann.

Als weiteres Beispiel einer nützlichen Anwendung der Er findung sei das Gehäuse einer Digitaluhr genannt, das üblicherweise wasserdicht ist, gegen den Eintritt von Feuchtigkeit aber nicht isoliert ist. Durch Einschluß des Getters gemäß der Erfindung in das Gehäuse und Anlegen einer Spannung an die Elektroden wird eintretender Wasser dampf elektrolysiert, bevor er den empfindlichen Schalt kreis beeinflussen kann, woraus folgt, daß, wenn das Wasser elektrolysiert wird, der Innendruck im Gehäuse beachtlich steigt, weil die gebildeten Wasserstoff- und Sauerstoff-Gase ein größeres Volumen einnehmen als zuvor der Wasserdampf eingenommen hat. Dieser Überdruck entlädt sich durch dieselbe Öffnung im Gehäuse, durch die der Wasserdampf eingetreten ist. Dieser Schutz ist notwendig für Flüssigkristallanzeigeelemente aufgrund deren Natur, wie auch für die meisten Mikroschaltkreise. Die Erfindung findet in gleicher Weise Verwendung in Hörhilfever stärkern und anderen elektronischen und elektrischen Systemen.

Claims

1. Gettervorrichtung zum elektrochemischen Beseitigen von Wasser bzw. Wasserdampf aus Halbleiterelemente enthaltenden Bauelementen, die sich innerhalb eines abgedichteten Gehäuses befinden, wobei innerhalb des Bauelements eine hoch gradig hygroskopische, im wesentlichen ebene, isolierende Oberflächenschicht angeordnet ist, auf der sich ein Paar nahe nebeneinander verlaufender, durch einen Zwischenraum getrennter im wesentlichen koplanarer elektrischer Leiter befindet, und Kontakte zum Anlegen einer Spannung an die Leiter, um ein elektrisches Feld zur Elektrolyse des Wassers zwischen den elektrischen Leitern zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß hygroskopische isolierende Oberflächenschicht (2) aus einem Oxid eines dotierten Halbleitermaterials besteht, dessen Dotierung zum Er zielen der hygroskopischen Eigenschaften vorgesehen ist.

2. Gettervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Leitern in der Größenordnung von etwa 0,001 mm und 0,024 mm und die Spannung im Bereich von etwa 1 V bis 50 V liegt.

3. Gettervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Länge der Leiter zwischen 0,03 cm und 0,3 cm liegt und die elektrische Feldstärke zwischen 400 V/cm und 100 000 V/cm beträgt.

4. Gettervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium ist und das Dotierungsmaterial Phosphor enthält.

5. Gettervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberflächenschicht (2) eine Dicke im Bereich zwischen 3000 Å und 10 000 Å aufweist und der Anteil an Phosphor oxid im Bereich von 0,2 bis 8 mol-% P₂O₅ beträgt.

6. Gettervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leiter (1, 3) in ineinandergeschlun genen Spiralbahnen angeordnet sind.

7. Gettervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leiter (1, 3) zweischichtig aus Chrom und Gold bestehen.