JPH10219480A - 水素ゲッタリング装置 - Google Patents

水素ゲッタリング装置

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JPH10219480A
JPH10219480A JP9318879A JP31887997A JPH10219480A JP H10219480 A JPH10219480 A JP H10219480A JP 9318879 A JP9318879 A JP 9318879A JP 31887997 A JP31887997 A JP 31887997A JP H10219480 A JPH10219480 A JP H10219480A
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エム．ベディンガー ジョン
Clyde R Fuller
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体のパッケージ内に水素が存在するとデバ
イスを劣化させるので、水素をできるだけ捕捉し、時間
と温度によって性能が下がらないゲッタを提供する。 【解決手段】一般に「パッケージ」と呼ぶ密閉容器内に
ハーメチックシールしたマイクロエレクトロニクスおよ
びマイクロウエーブに関連する水素ゲッタリングに用い
る方法と装置と材料である。用いてよいゲッタリング材
料は、水素透過性の皮膜すなわち被覆を持つまたは持た
ないチタンや、ジルコニウムとバナジウムと鉄の合金
や、ゼオライトや、これらの材料をパッケージに被覆す
るいくつかの方法を含む。さらに、水素透過性の材料を
パッケージの内部から外までの孔の上に用いることがで
きる。パッケージ内の水素濃度がパッケージ外より大き
いときは、水素はパッケージ内から出る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般に「パッケ
ージ」と呼ぶ密閉容器内にハーメチックシールしたマイ
クロエレクトロニクスおよびマイクロウエーブに関連す
る水素ゲッタリングに用いる方法と装置と材料に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】分子および原子の水素の影響は、一般に
ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料を含むハーメチックシールし
たマイクロエレクトロニクス・デバイスにとって、特定
するとガリウム砒素マイクロウエーブ集積回路にとっ
て、大きな問題である。分子および原子の水素が少量で
も存在すると、これらのデバイスは時間や温度に従って
劣化することが知られている。許容できる水素の量は、
そのデバイスの最終用途と必要な平均寿命によって決ま
る。一般に水素の存在の許容量は約１０ｐｐｍ（ｐｐｍ
は１００万分の１）以下であるが、これを達成するのは
簡単ではない。この劣化が起こるメカニズムについては
いくつかの仮説があるが、まだ定説はない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この問題を少しでも和
らげるために、有機接着剤に関連して有機水素ゲッタ材
料または無機ゲッタ材料を用いることが提案されてい
る。ゲッタの目的は、パッケージ内の自由な気体水素を
できるだけ捕捉して、パッケージ内の水素により劣化す
る材料、特定するとガリウム砒素マイクロウエーブ集積
回路および／または他の水素感度の高いデバイス、の劣
化速度を小さくするかまたは劣化をなくすことである。
有機材料は一般に好ましくない。その理由は、１）温度
範囲が限られる、および／または、２）前に捕捉した水
素が、温度が高くなったり時間が経過したりすると放出
されて元に戻る、および／または、３）ゲッタ速度は時
間および温度と共に減少するので、最終的にゲッタが機
能する温度および／または時間の長さを制限する、から
である。したがって、上述の問題を最小にするための、
他の経験的方法が必要である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この発明において上述の
問題を最小にする方法は、いくつかの異なる種類の、い
くつかの異なる方法で形成したゲッタを用いることであ
る。
【０００５】このようなゲッタの１つは、物理的蒸着ま
たは電気メッキを用いて、好ましくはニッケル、パラジ
ウム、白金などの遷移金属で被覆したものある。蒸着さ
せる遷移金属は純金属状態で用い、または金属の酸化物
にして用いてよい。純金属の場合、白金、パラジウム、
ニッケルなどの遷移金属は、金属の体積を余り増加させ
ることなく大量の水素を吸収することが知られている。
さらに水素は純金属と反応することができ、さらに水素
を取り込む。また、ニッケル、パラジウム、白金などの
遷移金属を酸化させて、金属表面の酸化により遷移金属
酸化物を作ってもよい。
【０００６】動作を説明すると、遷移金属酸化物は水素
と反応して元素金属と水になる。水のゲッタをパッケー
ジの中に置くと、水蒸気が蓄積して過剰なレベルになる
のを防ぐことができる。金属はいろいろの方法で、たと
えば熱酸化やプラズマ酸化や化学的陽極酸化により酸化
することができる。別の方法で金属酸化物を作るには、
金属酸化物を直接スパッタ付着により、または酸素の環
境の中で金属の反応スパッタリングを用いることにより
行う。酸化物の化学量を制御して、たとえば反応スパッ
タ付着パラメータを制御するなどにより、望ましい酸化
物の種類（たとえば、Ｐｄｏ）を選択する。
【０００７】金属および金属酸化物の領域にゲッタ被覆
を行う位置および／または大きさは、物理的付着マスク
や、めっきマスクを用いる選択的めっきや、金属または
金属酸化物の選択的エッチングにより制御する。エッチ
ング法には化学的または物理的方法がある。ゲッタはパ
ッケージ内のどの部分にでも被覆し、パッケージ内の水
素を完全に捕捉できるような大きさにする。この方法は
多くの利点がある。すなわち、パッケージの重さと厚さ
をほとんど増やさせずに、非常に薄い金属または金属酸
化物の層を形成することができる。さらに、上記の無機
ゲッタには有機ゲッタのような温度による制限がない。
さらに、上に述べたような多数の遷移金属および／また
は金属酸化物は、広い温度範囲にわたって水素と反応
し、非可逆的に水素を取り込む。
【０００８】この問題に対する１つの方法はチタンを用
いてハウジングまたはふたを作ることで、チタンの上に
水素透過性の皮膜を作ることも作らないこともある。望
ましい水素透過性の皮膜はパラジウムで、これをチタン
の上にめっきするか、または真空蒸着する。パラジウム
の目的は、チタンが酸化するなどして水素ゲッタとして
役に立たなくなることを防ぐことである。またチタンを
離散的な構成要素としてバルクまたはシートの形で用い
て、モジュール内に接着などにより取り付けてもよい。
チタンの表面積は、多孔性チタン構造を形成することに
より実質的に増やすことができる。これにより実質的に
水素ゲッタリングの速度が増し、ゲッタの重量が減る。
【０００９】第２の方法は、チタンのふたおよび／また
はハウジングにスパッタリングやイオンビームやその他
の真空被覆を行ってゲッタを作ることである。チタン
は、真空蒸着によりパラジウムなどの水素透過性の膜で
被覆してよい。この方法を用いると、チタンの酸化物を
形成するギブス（Ｇｉｂｂｓ）自由エネルギーが高いの
で、非常に軽く、表面積が大きく、金属酸化物によく接
着するゲッタができる。
【００１０】第３の方法は、希土類金属の酸化物を１つ
以上加えて、または加えずに、ジルコニウム−バナジウ
ム−鉄の合金をスパッタ付着させることである。これら
の材料は、バルクの形で水素ゲッタリング特性を示す。
スパッタ付着法を用いると、パッケージ内が軽く、表面
積が大きく、接着性がよいという、独特の利点がある。
【００１１】第４の方法は、チタンや、パラジウムで被
覆したチタンや、ジルコニウム−バナジウム−鉄の粉末
を有機体（ｖｅｈｉｃｌｅ）の中で混合し、その材料を
パッケージ化されたモジュール内にスクリーン印刷した
り、若しくは分配することである。
【００１２】第５の方法は、水素は透過するが水は透過
しないパラジウムなどの膜をモジュール内のふたやその
他の位置にめっきし、パラジウムの下の支持構造にエッ
チングまたは機械加工を行って、パッケージの外に水素
を透過させる孔を作ることである。またこの方法は、ハ
ウジングやふたに半田付けまたは溶接を行った水素透過
性のプラグすなわちフィードスルー（ｆｅｅｄｔｈｒｏ
ｕｇｈ）と共に用いることができる。
【００１３】第６の方法は、希土類金属の酸化物を加え
て、または加えずに、ジルコニウム−バナジウム−鉄の
合金をパッケージすなわちモジュールの内面にスパッタ
付着させることである。
【００１４】さらに別の方法は、粒状または粉末状にす
ることのできる上述の材料を含む任意の水素ゲッタ材料
を提供することである。適用にあたっては、水素および
／または水のゲッタ材料をひいて粉にしたり、あるいは
粒状または粉末状にし、粒状のゲッタと有機接着剤を混
合して所望の面上にスクリーン印刷する。スクリーン印
刷や硬化の際、ゲッタを所望の面に接着させ、水素また
は水が接着剤を通してゲッタ材料に透過するような接着
剤を選択する。使用できる一般的な接着剤は、シリコ
ン、エポキシ、アクリル、ウレタン、ポリイミド、ベン
ゾシクロブタンなどである。
【００１５】この被覆方法のさらに別の利点は、ゲッタ
粒子の大きさとスクリーン印刷する材料の厚さを変える
ことにより、混合された接着剤内のゲッタの表面積を増
やしたり調節したりすることができることである。ゲッ
タをバルクの形に作り、そのパターンすなわち大きさを
決め、ハーメチックシールしたパッケージ内にこれを接
着させる、という３つの別個の操作は、スクリーン印刷
法を用いれば必要がなくなる。この方法では、水素およ
び／または水のゲッタと接着剤を予め混合してパターン
を決めて１つの操作で接着するので、バルク材料を形成
し、大きさすなわちパターンを決定し、接着する、とい
う別個の操作がなくなる。
【００１６】ゲッタを付着させるスクリーン印刷法を拡
張して、ＲＦ吸収材料を水素および／または水のゲッタ
に混ぜてもよい。この方法を適用する利点は、現在普通
に用いられている、接着剤を含めた無線周波数吸収材料
は、パッケージ内に取り付けるときに、硬化プロセス中
および硬化プロセス後に水素を放出することである。接
着剤の存在の下に水素および／または水のゲッタとＲＦ
吸収材料を共に用いることにより、吸収材料を付着させ
るという追加のプロセスがなくなる。さらに、ゲッタは
水素を放出する吸収材料と密着して、より有効なゲッタ
になる。
【００１７】さらに別の方法は、数値制御の配置および
ポンプ分配（ｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄ ｐｕｍｐ−ｄ
ｉｓｐｅｎｓｉｎｇ）装置を用いて、マイクロエレクト
ロニクスまたはマイクロウエーブのハーメチックシール
した密閉容器内にゲッタを付着させることに関する。こ
の方法では、無機ゲッタの粒子を所望の大きさにしてエ
ポキシその他の有機接着剤と混ぜ合わせ、パッケージ内
で正確に厚さおよび配置寸法を制御して（ｄｉｍｅｎｓ
ｉｏｎａｌ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ）分
配する。ＲＦ吸収材料が同様にそれ自身で適用可能であ
り、水素および／または水のゲッタと予め混合してもよ
い。ゲッタおよび／または無線周波数吸収材料を分配し
加えるこの方法を用いれば、糊状の予め混合された材料
を用いて構成要素に付着させることもできるので、複数
の操作がなくなり、要素の付着や、水素ゲッタの付着
や、水ゲッタの付着や、無線周波数吸収剤の付着や、ま
たはこれらの任意の組合わせを、１つの操作にまとめる
ことによって組立て時間を節約し、モジュール内の物理
的空間を節約することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
【実施例】この発明の第１の実施の形態では、好ましく
はニッケル、パラジウム、白金などの遷移金属を、スパ
ッタリングや物理的な付着や電気めっきを用いてパッケ
ージの内面に被覆する。付着させた遷移金属は純金属状
態で、または金属酸化物として付着する。次にガリウム
砒素半導体デバイスをパッケージ内に置き、パッケージ
をハーメチックシールして、水素ゲッタリング活動を行
う最終デバイスを作る。特定の水素ゲッタを作る追加の
ステップを除いて、全てのステップは標準的である。水
のゲッタをパッケージの中に置くと、水蒸気が蓄積して
過剰レベルになるのを、特に金属酸化物が水素により還
元されて元素金属と水になるのを、防ぐことができる。
【００１９】この発明の第２の実施の形態では、元素チ
タンをハウジングすなわちパッケージとして、またはハ
ウジングすなわちパッケージのふたとして用い、パッケ
ージの中空の内部のチタンの上に水素透過性の皮膜を作
る。または、チタンを離散的な構成要素としてバルク、
シート、または多孔性の形にして、パッケージすなわち
モジュール内に接着などにより付着させてもよい。好ま
しくは、パラジウム層で覆うチタンの表面には実質的に
酸化物がないようにして、チタンによる水素ゲッタリン
グ活動を向上させる。またチタンのふたおよび／または
ハウジングにスパッタリングやイオンビームやその他の
真空被覆を行うことにより、モジュールの内面にチタン
を与えてゲッタを作ることができる。やはりチタンは、
パラジウムなどの水素透過性の膜で被覆してよい。
【００２０】この発明の第３の実施の形態では、希土類
金属の酸化物を１つ以上加えて、または加えずに、ジル
コニウム−バナジウム−鉄の合金を上記と同様にしてパ
ッケージの内面にスパッタ付着させる。
【００２１】この発明の第４の実施の形態では、チタン
や、パラジウムで被覆したチタンや、ジルコニウム−バ
ナジウム−鉄の粉末を、シリコン、エポキシ、ウレタ
ン、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブタンなどの
有機媒体の中で混合し、パッケージ化されたモジュール
内にスクリーン印刷したり、若しくは分配したりする。
【００２２】この発明の第５の実施の形態では、パラジ
ウムなどの水素透過性の膜をモジュール内のふたやその
他の位置にめっきし、パラジウムの下の支持構造をエッ
チングなどで除去して、パッケージの外に水素を透過さ
せる孔を作る。またこの方法は、ハウジングやふたに半
田付けまたは溶接を行った水素透過性のプラグすなわち
フィードスルーと共に用いることができる。
【００２３】この発明の第６の実施の形態では、水素ゲ
ッタリング特性を持つバルクのゼオライトまたはジルコ
ニウム−バナジウム−鉄を、被覆領域の位置や厚さや大
きさを正確に制御するスクリーン印刷を用いて、物理的
蒸着や化学的蒸着や接着によりパッケージの内面に被覆
する。
【００２４】さらに別の実施の形態では、粒子状または
粉末状にすることのできる上述の材料を含む任意の水素
ゲッタ材料と上述の種類の有機接着剤を混ぜて、数値制
御の配置およびポンプ分配装置を用いて、所望の表面上
にスクリーン印刷したり分配したりする。
【００２５】この発明について特定の好ましい実施の形
態を参照して説明したが、当業者には多くの変形や修正
が可能なことは明らかである。したがって、特許請求の
範囲は従来の技術を考慮してできるだけ広く解釈し、こ
のような変形や修正を全て含むものとする。
【００２６】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） （ａ） 水素が存在すると劣化する材料と、
（ｂ） 前記材料を含むパッケージと、（ｃ） 前記パ
ッケージ内の遷移金属を含む水素ゲッタの層、を備える
デバイス。
【００２７】（２） 前記遷移金属は、パラジウム、白
金、ニッケル、およびそれらの酸化物から成るグループ
から得られる、項１に記載のデバイス。 （３） 前記材料はＩＩＩ−Ｖ族の半導体組成である、
請求項２に記載のデバイス。 （４） 前記材料はガリウム砒素である、項２に記載の
デバイス。
【００２８】（５） 前記パッケージは、前記パッケー
ジ内の前記材料と前記ゲッタをハーメチックシールする
ハーメチックシール・パッケージである、項４に記載の
デバイス。 （６） 前記ゲッタは元素の遷移金属を含む、項１また
は２に記載のデバイス。 （７） 前記パッケージは実質的に酸化物のない内面を
持つ、元素チタンを含むパッケージであって前記材料を
中に納め、前記ゲッタは、前記パッケージの内面と前記
材料の間にある前記酸化物のない面の上の水素透過性の
パラジウムの層である、項１、３、４、または５に記載
のデバイス。
【００２９】（８） 実質的に内部に水素のない含むパ
ッケージを作る方法であって、（ａ） 中空の内部領域
を持つパッケージを与え、（ｂ） 前記内部領域内に水
素ゲッタリング特性を持つ元素チタンや、バナジウムと
ジルコニウムと鉄の合金から成る種類から得られる水素
ゲッタの層を形成する、ステップを含む、パッケージを
作る方法。
【００３０】（９） 前記層は前記パッケージを形成す
る元素チタンであり、前記元素チタンの上にパラジウム
の水素透過性の層を形成するステップをさらに含む、項
８に記載のパッケージを作る方法。 （１０） 前記中空の内部の水素で劣化する材料を処理
するステップを含む、項８または９に記載のパッケージ
を作る方法。 （１１） 前記材料はＩＩＩ−Ｖ族の半導体化合物であ
る、項８から１０に記載のパッケージを作る方法。
【００３１】（１２） 前記材料はガリウム砒素であ
る、項８から１１に記載のパッケージを作る方法。 （１３） 前記パッケージは前記パッケージ内の前記材
料をハーメチックシールする、項１０から１２に記載の
パッケージを作る方法。 （１４） 前記水素ゲッタの層は、チタンや、ジルコニ
ウムとバナジウムと鉄の合金から成る種類から得られる
水素ゲッタリング材料の粉末の混合物を、エポキシ、シ
リコン、アクリル、ウレタン、ポリイミド、ベンゾシク
ロブタンを含む高分子材料から成る種類から得られる有
機媒体の中で形成して、前記混合物を前記中空の内部領
域内に付着させることにより形成する、項８から１３に
記載のパッケージを作る方法。
【００３２】（１５） 前記混合物は、スクリーン印刷
か数値制御の配置および分配ポンプのどちらかにより付
着させる、項１４に記載のパッケージを作る方法。 （１６） 前記中空の内部領域から前記パッケージの外
まで前記パッケージを通して孔を形成し、前記孔の上に
水素透過性の層を形成することをさらに含む、項８から
１５に記載のパッケージを作る方法。
【００３３】（１７） 前記水素透過性の層はパラジウ
ムの層である、項８から１６に記載のパッケージを作る
方法。 （１８） 水素の濃度が前記中空の領域内の水素の濃度
より小さい環境に前記パッケージを置くステップをさら
に含む、項８から１７に記載のパッケージを作る方法。
【００３４】（１９） デバイスに水素ゲッタリング特
性を与える方法であって、（ａ） 粉末か粒子のどちら
かの形で水素ゲッタ材料を与え、（ｂ） 前記ゲッタ材
料と、前記ゲッタ材料を所定の面に付着させることので
きる接着剤を混合し、（ｃ） ゲッタ材料と接着剤の混
合物を面に接着させる、ステップを含む、デバイスに水
素ゲッタリング特性を与える方法。．
【００３５】（２０） 前記接着させるステップは、前
記混合物を面の上にスクリーン印刷し、次に前記混合物
を硬化させるステップを含む、項１９に記載のデバイス
に水素ゲッタリング特性を与える方法。 （２１） ＲＦ吸収材料と前記ステップ（ｂ）のゲッタ
材料および接着剤を混合するステップをさらに含む、項
１９または２０に記載のデバイスに水素ゲッタリング特
性を与える方法。
【００３６】（２２） 一般に「パッケージ」と呼ぶ密
閉容器内にハーメチックシールしたマイクロエレクトロ
ニクスおよびマイクロウエーブに関連する水素ゲッタリ
ングに用いる方法と装置と材料である。用いてよいゲッ
タリング材料は、水素透過性の皮膜すなわち被覆を持つ
または持たないチタンや、ジルコニウムとバナジウムと
鉄の合金や、ゼオライトや、これらの材料をパッケージ
に被覆するいくつかの方法を含む。さらに、水素透過性
の材料をパッケージの内部から外までの孔の上に用いる
ことができる。パッケージ内の水素濃度がパッケージ外
より大きいときは、水素はパッケージ内から出る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ // Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｚ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ） 水素が存在すると劣化する材料
    と、 （ｂ） 前記材料を含むパッケージと、 （ｃ） 前記パッケージ内の遷移金属を含む水素ゲッタ
    の層、を備えるデバイス。
  2. 【請求項２】 実質的に内部に水素のないパッケージを
    作る方法であって、 （ａ） 中空の内部領域を持つパッケージを与え、 （ｂ） 前記内部領域内に水素ゲッタリング特性を持つ
    元素チタンや、バナジウムとジルコニウムと鉄の合金か
    ら成る種類から得られる水素ゲッタの層を形成する、ス
    テップを含む、パッケージを作る方法。
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