KR19980032850A - 수소 게터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 패키지로서 전형적으로 지칭되는 밀봉채내에 일반적으로 밀봉식으로 봉합되는 미소전자 및 마이크로파 성분과 함께 수소 게터링에서 사용하기 위한 방법, 시스템 및 물질에 관한 것이다. 사용될 수 있는 게터링 물질은 수소 투과성 코팅물 또는 외피를 갖거나 갖지 않는 티탄, 지르코늄-바나듐 철의 합금 및 제올라이트를 포함하고, 여러 방법으로 상기 물질들을 패키지에 적용한다. 이외에, 수소 투과성 물질을 패키지의 내부로부터 외부로의 배출구 상에서 사용할 수 있으며, 배출구에서 수소는 패키지의 수소 농도가 패키지가 없는 경우보다 클때 패키지 내부로부터 제거될 것이다.
Description
본 발명은 전형적으로 패키지로 칭해지는 밀봉채 내에 일반적으로 밀봉식으로 봉합되는 미소전자 성분 및 마이크로파 성분과 함께, 수소 게터링(gettering)에 사용하기 위한 방법, 시스템 및 물질에 관한 것이다.
수소 분자 및 원자의 효과는 밀봉식으로 봉합된 미소전자 소자, 일반적으로는 III-V 족 반도체 물질을 포함하는 소자, 특히 비소화 갈륨 마이크로파 집적 회로에 특히 관련된다. 이들 소자는 소량의 수소 분자 및 원자 존재하에서도 시간 및 온도에 따라 붕괴되는 것으로 알려져 있다. 허용가능한 수소의 양은 소자의 최종 용도 및 요구되는 기대 수명에 좌우된다. 일반적으로, 허용가능한 수소의 양은 백만부 당 약 10부 이하이지만 쉽게 달성되지 않는다. 몇가지 자료로부터 이같은 붕괴가 일어나는 매카니즘을 가정할 수 있지만, 현재 이같은 붕괴를 일으키는 매카니즘에 대해 동의된 상태가 아니다.
이같은 문제를 완화시키는 선행의 제안 사항은 유기 결합제와 함께 유기 수소 게터 물질 또는 무기 게터 물질을 사용하는 것으로 알려져있다. 게터의 목적은 패키지 내부에서 유리 가스상 수소를 가능한한 많이 포획하여, 결과적으로 패키지, 특히 비소화 갈륨 마이크로파 집적 회로 및(또는) 다른 수소 감성 소자 내에서 수소 분해성 물질의 분해율을 감소시키거나 제거시키는 것이다. 유기 물질은 1) 온도 범위에서 제한되고(되거나) 2) 미리 포획된 수소가 승온에서 또는 시간에 따라 방출될 정도로 가역성이고(이거나) 3) 게터 속도가 일정 온도에서 시간에 따라 감소하기 때문에 긍극적으로 게터가 기능하는 온도 및(또는) 시간을 한정하므로 일반적으로 불만족스럽다. 따라서, 상기 문제점을 최소화시키기 위한 다른 실험적인 접근법이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 최소화하는 수소 게터링(gettering)에 사용하기 위한 방법, 시스템 및 물질에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 상기 문제점을 최소화하기 위한 접근법은 몇가지 다양한 형태의, 몇가지 다양한 방법으로 형성된 게터를 사용하는 것을 포함한다.
이같은 게터 중 일종은 물리적인 증착 또는 전착을 사용한, 전이 금속, 바람직하게는 니켈, 팔라듐 또는 백금의 적용을 포함한다. 침착된 전이 금속은 순수한 금속 상태로 사용되거나 금속의 산화물로 제조될 수 있다. 순수한 형태에서, 백금, 팔라듐 및 니켈과 같은 전이 금속은 금속 부피의 현저한 증가없이 상당량의 수소를 흡수하는 것으로 알려져있다. 또한, 수소는 순수한 금속과 반응하여 수소화물을 형성할 수 있고, 수소를 추가로 게터할 수 있다. 또한, 니켈, 팔라듐 및 백금과 같은 전이 금속은 금속 표면의 산화에 의해 산화되어 전이 금속 산화물을 형성할 수 있다. 수행시에, 전이 금속 산화물은 수소와 반응하여 금속 원소 및 물을 형성한다. 물 게터가 패키지에 포함되어 과량의 수증기 축적을 방지할 수 있다. 금속은 열산화법, 플라즈마 산화법 또는 화학적 양극 처리법을 포함하는 다수의 기술에 의해 산화될 수 있다. 금속 산화물을 제조하는 대안적 방법은 금속 산화물의 직접적인 스퍼터(sputter) 침착법 또는 산소 환경에서 금속의 반응성 스퍼터링법을 사용하는 것이다. 산화물의 화학량론은 예컨대, 반응성 스퍼터 침착 인자를 조절하여 요구되는 산화물 형태(예컨대, PdO)가 선택되도록 조절된다.
금속 및 금속 산화물 영역에 대한 게터 적용 위치 및(또는) 크기는 물리적인 침착 마스크에 의해, 도금 마스크를 이용한 선택적 도금에 의해, 또는 금속 또는 금속 산화물의 선택적인 에칭에 의해 조절된다. 에칭 기술은 화학적 또는 물리적 기술을 포함한다. 게터가 패키지 내부의 어디든지 적용되고 일정 크기화되어 패키지 내부의 임의의 수소가 완전히 포획되도록 한다. 패키지에 미소 중량 또는 두께로 부가하여 초박층의 금속 또는 금속 산화물을 형성할 수 있다는 점에서 이같은 접근법은 많은 장점을 갖는다. 또한, 상기 무기 게터는 유기 게터와 같이 온도에 제한되지 않는다. 또한, 상기 사항을 포함하는 다수의 전이 금속 및(또는) 금속 산화물은 넓은 온도 범위에서 수소와 반응하여 비가역적으로 수소를 게터시킨다.
문제를 해결하기 위한 구체적인 접근법은 티탄 상에 수소 투과성 코팅물을 갖거나 갖지 않고, 티탄을 하우징(housing) 또는 리드(lid)로 이용하는 것이다. 바람직한 수소 투과성 코팅물은 티탄의 상단에 도금시키거나 증착시킬 수 있는 팔라듐이다. 팔라듐의 목적은 티탄이 산화되는 것을 막거나 다른 방식으로 수소 게터가 억제되는 것을 막는다. 또한, 티탄은 모듈내에 접착식으로 또는 다른 방식으로 부착된 각각의 성분으로서 벌크형 또는 시트형으로 사용될 수 있다. 다공성 티탄 구조를 형성하여 실질적으로 수소 게터링의 속도를 증가시키고 게터의 중량을 감소시킴으로써 티탄의 표면 영역을 실질적으로 증가시킬 수 있다.
제2 접근법은 티탄으로 리드 및(또는) 하우징을 스퍼터 처리, 이온 빔 처리 또는 진공 코팅 처리하여 게터를 형성시키는 것이다. 티탄은 팔라듐과 같은 수소 투과성 막으로 진공 침착시켜 보호 코팅될 수 있다. 이같은 접근법은 티탄 산화물 형성에 대한 높은 깁스(Gibbs) 자유 에너지에 의해, 금속 산화물에 대한 접착력이 우수하고 표면적이 큰 초경량의 게터를 제공한다.
제3 접근법은 1종 이상의 희토류 금속의 산화물을 첨가하거나 하지 않고 지르코늄-바나듐-철 합금을 스퍼터 침착시키는 것이다. 이들 금속은 벌크형으로 수소 게터링 특성을 나타내었다. 스퍼터 침착 접근법은 패키지 내에서의 경량, 높은 표면적 및 우수한 접착력과 같은 특유한 잇점을 제공한다.
제4 접근법은 유기 비히클 및 스크린 프린트 내에서 티탄, 티탄 코팅 팔라듐 또는 지르코늄-바나듐-철의 분말을 혼합시키거나, 다른 방식으로 패키지화된 모듈 내에서 상기 물질을 분배시키는 것이다.
제5 접근법은 리드 또는 모듈 내의 다른 위치에 팔라듐과 같은 수소 투과성이지만 수분 불투과성인 막을 도금시키고, 팔라듐 아래의 지지체 구조물을 에칭시키거나 다른 방식으로 구조화시켜 패키지의 외부로 향하는 수소 투과성 배출구(vent)를 형성시키는 것이다. 또한, 이같은 접근법은 하우징 또는 리드에 납땝되거나 용접된 수소 투과성 플러그(plug) 또는 피드쓰루(feedthrough)에 구체화될 수 있다.
제6 접근법은 희토류 금속의 산화물을 첨가하거나 첨가하지 않고, 지르코늄-바나듐-철 합금을 패키지 또는 모듈의 내면에 스터퍼 침착시키는 것이다.
추가의 접근법은 미립자 또는 분말상으로 제조될 수 있는 상기와 같이 명명된 물질을 포함하는 임의의 수소 게터 물질을 제공하는 것이다. 적용시에, 수소 및(또는) 물 게터 물질은 연마되거나 다른 식으로 미립자 또는 분말 상으로 형성되어 미립자 게터가 유기 결합제와 혼합되고 필요한 면 상에서 스크린 프린팅되도록 한다. 스크린 프린팅 및 경화시에 선택되는 결합제는 결합제에 의해 필요한 면에 게터가 접착식으로 확실히 부착되고, 결합제를 통과하여 게터 물질로 수소 또는 물이 투과되도록 하는 것이다. 사용가능한 전형적인 결합제로는 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계, 폴리이미드계 및 벤조시클로부텐이 있다. 이같은 적용 방법의 다른 잇점은 스크린 프린팅된 물질의 게터 미립자 크기 및 두께를 변형시킴으로써 혼합된 결합제 중의 게터의 표면적이 증가되고 조절될 수 있다는 점이다. 스크린 프린팅법은 벌크형으로 게터를 형성하는 공정, 게터를 패턴화 또는 적정 크기화하는 공정 및 밀봉식 봉합된 패키지 안에 게터를 접착식으로 부착시키는 공정을 3개의 개별화 공정으로 수행할 필요성을 제거시킨다. 본 기술에 의해, 1회 수행으로 수소 및(또는) 물 게터는 결합제와 미리혼합되고 패턴화되고, 접착식으로 부착되므로, 개별화된 벌크 물질 형성 공정, 적정 크기화 또는 패턴화 공정 및 접착식 부착 공정이 제거된다.
또한, 게터 부착의 스크린 프린팅법은 수소 및(또는) 물 게터와 혼합된 RF 흡수제 물질을 포함하는 것으로 확대될 수도 있다. 이같은 적용 방법의 잇점은 오늘날 공통적으로 사용되는 결합제를 포함하는 라디오 주파수 흡수제 물질이 경화 공정 중에 그리고 패키지 내에 설치될 때에는 경화 공정 후에 수소를 방출시킨다는 점이다. 결합제 존재하에서 RF 흡수 물질과 수소 및(또는) 물 게터를 함께 혼입시킴으로써, 부가적인 흡수제 부착 공정이 제거된다. 또한, 게터는 수소 방출 흡수제 물질과 밀착 접촉하여 더욱 효과적인 게터를 제공할 것이다.
다른 방법은 수치 제어된 변위 및 펌프 분배 시스템을 이용하여 미소전자 또는 마이크로파에 의해 밀봉식으로 봉합된 봉합채의 내부에 게터를 부착시키는 것에 관한 것이다. 이 방법을 사용하여, 무기 게터는 필요한 미립자 크기로 감소되고 에폭시 또는 다른 유기 결합제와 혼합되고 패키지 내부에서 정확한 두께 및 치수적으로 변위 조절 상태로 분배된다. RF 흡수제 물질은 자체적으로 유사하게 적용되거나 수소 및(또는) 물 게터와 미리 혼합된다. 게터 및(또는) 라디오 주파수 흡수제를 분배시키고 적용하는 이같은 방법을 이용하여, 성분들을 부착시키는데에 페이스트 형으로 미리 혼합된 물질을 사용하여, 복수회의 공정을 제거시키고, 성분 부착 공정, 수소 게터 부착 공정, 물 게터 부착 공정 및 라디오 주파수 흡수제 부착 공정 또는 의의 조합된 임의 공정을 1회 공정으로 조합시켜서, 결과적으로 어셈블리 시간이 절약되고 모듈 내부에서 물리적인 공간이 절약되는 잇점이 있다.
바람직한 실시태양의 설명
본 발명의 제1 실시태양에 따라, 전이 금속, 바람직하게는 니켈, 팔라듐 또는 백금을 스퍼터링, 물리적 증착 또는 전착을 이용하여 패키지 내면에 적용시킨다. 침착된 전이 금속은 순수한 금속 상태로 침착되거나 또는 금속 산화물로서 제조된다. 이어서 비소화 갈륨 반도체 소자를 패키지 내부에 위치시키고 패키지를 밀봉식으로 봉합시켜 최종 소자에 수소 게터링 활성을 부여한다. 모든 단계는 특수한 수소 게터를 제공하는 추가의 단계를 제외하고 일반적인 것이다. 특히 금속 산화물이 수소에 의해 환원되어 금속 원소와 물을 형성하는 경우 과량 수준의 수증기가 축적하는 것을 방지하기 위하여 물 게터를 패키지 중에 포함시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시태양에 따르면, 티탄 원소는 하우징 또는 패키지로서 또는 패키지 중공(hollow) 내부에서 티탄 상의 수소 투과성 코팅물을 갖는 하우징 또는 패키지용 리드로서 사용된다. 별법으로 티탄은 패키지 또는 모듈 안에 접착식으로 또는 다른 방식으로 부착되는 각각의 성분으로서 벌크, 시트 또는 다공형으로 사용될 수 있다. 티탄에 의해 수소 게터링 활성이 개선되기 위하여티탄 표면 위에 팔라듐 층이 형성되는 티탄의 표면은 실질적으로 산화물이 없는 것이 바람직하다. 또한 리드 및(또는) 하우징을 티탄으로 스퍼터링, 이온 비임 또는 다른 방식으로 진공 코팅시켜 모듈의 내면 상에 제공하여 게터를 형성할 수 있다. 티탄은 다시 동일 장소에서 팔라듐과 같은 수소 투과성 막으로 보호코팅시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시태양에 따르면, 희토류 금속의 1 종 이상의 산화물을 첨가하거나 첨가하지 않고 지르코늄-바나듐-철 합금을 상기한 바와 같이 패키지의 내면 상에 스퍼터 침착시킨다.
본 발명의 제4 실시태양에 따르면, 티탄, 티탄, 티탄 코팅 팔라듐 또는 지르코늄-바나듐-철의 분말들을 실리콘, 에폭시, 우레탄, 아크릴산, 폴리이미드 또는 벤조시클로부텐과 같은 유기 비히클 중에 혼합시키고, 스크린 프린팅시키거나 또는 다른 방식으로 패킹화된 모듈 안에 분배시킨다.
본 발명의 제5 실시태양에 따르면, 팔라듐과 같은 수소 투과성 막을 리드 상에 또는 모듈 안의 다른 위치에 도금하고, 팔라듐 아래의 지지체 구조물을 에칭시키거나 또는 다른 방식으로 제거하여 패키지의 외부로 향하는 수소 투과성 배출구를 형성시킨다. 이런 접근법은 또한 하우징 또는 리드로 납땜되거나 용접되는 수소 투과성 플러그 또는 피드쓰루에 구체화시킬 수 있다.
본 발명의 제6 실시태양에 따르면, 수소 게터링 성질이 있는 벌크 제올라이트 또는 지르코늄-바나듐-철을 물리적 증착, 화학적 증착 및(또는) 접착제 부착에 의해 코팅 부위의 위치, 두께 및 치수를 정확하게 조절하는 스크린 프린팅을 이용하여 패키지 내부에 적용시킨다.
추가의 실시태양에 따르면, 미립자 또는 분말형으로 제조될 수 있는 상기에서 명칭된 물질들을 포함하는 임의의 수소 게터 물질을 상기 기재된 종류의 유기 결합제와 혼합시키고, 소정의 표면 상에 수치 제어된 배치 및 펌프 분배 시스템을 사용하여 스크린 프린팅시키거나 또는 분배시킨다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 물질, 시스템과 방법에 따른 소자는 소량의 수소 및 원자 존재하에서도 시간 및 온도에 따라 붕괴되는 문제점이 극복되는 잇점이 있다.
본 발명의 구체적인 바람직한 실시태양을 참고하여 본 발명을 기술하였더라도, 많은 변화 및 변형이 당업계의 숙련가에게는 직접적으로 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위가 종래 기술의 면에서 가능한 넓게 해석되어 상기 모든 변화 및 변형을 포함하고자 의도한다.
Claims (21)
- (a) 수소의 존재하에서 분해가능한 물질;(b) 상기 물질 함유 패키지; 및(c) 상기 패키지 안에 있는 전이 금속 함유 수소 게터 층을 포함하는 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전이 금속이 팔라듐, 백금과 니켈 및 그의 산화물로 이루어진 군으로부터 취해지는 소자.
- 제2항에 있어서, 상기 물질이 III-V 족 반도체 조성물인 소자.
- 제2항에 있어서, 상기 물질이 비소화 갈륨인 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 패키지가 상기 패키지 안에 상기 물질 및 상기 게터를 밀봉식으로 봉합하는 밀봉식 봉합 패키지인 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 게터가 전이 금속 원소를 포함하는 소자.
- 제1항, 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지가 그 안에 실질적으로 산화물이 없는 내면 하우징용의 상기 물질을 갖는 티탄 원소-함유 패키지이고, 상기 게터는 상기 패키지의 내면과 상기 물질 사이에 상기 산화물이 없는 표면 상의 수소 투과성 팔라듐 층인 소자.
- (a) 중공 내부 영역이 있는 패키지를 제공하는 단계,(b) 상기 내부 영역 안에 수소 게터링 성질을 갖는, 티탄 원소, 바나듐, 지르코늄 및 철의 합금으로 이루어진 군으로부터 취해진 수소 게터 층을 형성하는 단계를 포함하는, 실질적으로 수소가 없는 내부 포함 패키지의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 층은 상기 패키지를 형성하는 티탄 원소이고, 상기 티탄 원소 위에 팔라듐의 수소-투과성 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 중공 내부 안에 수소 분해성의 물질을 배치하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질이 III-V 족 반도체 화합물인 방법.
- 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질이 비소화 갈륨인 방법.
- 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지가 상기 패키지 안에 상기 물질을 밀봉식으로 봉합하는 방법.
- 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 게터 층이 에폭시계, 실리콘계, 아크릴산계, 우레탄계, 폴리이미드계 및 벤조시클로부텐을 포함하는 중합체 물질로 이루어진 군으로부터 취해진 유기 비히클 중에 티탄, 및 지르코늄, 바나듐 및 철의 합금으로 이루어진 군으로부터 취해진 수소 게터링 물질의 분말의 혼합물을 형성시키고 상기 혼합물을 상기 중공 내부 영역 안에 침착시켜 형성되는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 혼합물이 스크린 프린팅 및 수치 제어된 배치 및 분배 펌프의 하나에 의해 침착되는 방법.
- 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 내부 영역으로부터 상기 패키지의 외부로 상기 패키지를 통하여 배출구를 형성시키고 상기 배출구 위에 수소 투과성 층을 형성시키는 것을 더 포함하는 방법.
- 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 투과성 층이 팔라듐 층인 방법.
- 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 수소의 농도가 상기 중공 영역에서의 수소 농도 보다 적은 환경하에 상기 패키지를 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
- (a) 분말 또는 미립자형으로 수소 게터 물질을 제공하는 단계;(b) 상기 게터 물질을 소정의 표면에 상기 게터 물질을 부착시킬 수 있는 결합제와 혼합하는 단계;(c) 표면에 게터 물질 및 결합제의 혼합물을 접착시키는 단계를 포함하는, 소자에 대한 수소 게터링 성질의 부여 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 접착 단계가 표면 상에 상기 혼합물을 스크린 프린팅시킨 후 상기 혼합물을 경화시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제19항 또는 제20항에 있어서, 단계 (b)에서 RF 흡수제 물질을 상기 게터 물질 및 결합제와 혼합시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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