系统级封装用高阻区熔硅制备技术研究

吴华

摘要：在后摩尔时代，系统级封装在智能手机、便携电子等诸多领域得到了广泛的应用。所谓“一代材料、一代器件、一代系统”，近年来系统集成技术的飞速发展离不开IPD技术的支撑。而我国高阻区熔硅材料产业做为整个产业链的基础，也要为硅基薄膜IPD技术的自主可控提供有力的保障。目前、国际上高端大尺寸区熔硅材料的技术主要掌控在国外几家大公司手上，再加上中美贸易战的阴云挥之不散，消除瓶颈已经刻不容缓。

关键词：区熔硅IPD摩尔定律SIP

引言

随着半导体器件的特征尺寸不断缩小，器件密度逐渐增多，相应的搭配CMOS等器件的无源元件需求量也迅速增加。据统计，随着电子系统的强大，使用的无源元件越来越多。这些无源元件几乎全是表面贴装器件（SMD），占据着90%多的系统元件、80%多的系统电路板面积以及超过70%的系统成本。如果这些无源元件能够从现在的毫米量级的厚膜技术小型化为微米量级的薄膜技术，那么将会使得无源系统的面积减小1000倍，成本也会大幅降低。

为解决这个问题，实现“将电脑缩小进手机”的梦想，无源器件集成（IPD）技术得到了广泛的关注。在数字、模拟混合系统模块中往往存在着很多分立无源器件，不仅占用基板面积，而且影响系统集成度。传统PCB基板只起到支撑和电互连作用，IPD技术则可以将无源器件集成到衬底内部，形成功能化衬底。将IPD功能化衬底与有源器件封装在一起，IPD技术还与先进的SIP技术高度兼容，可进一步成功能复杂的专用电子产品。

1IPD技术发展现状简介

IPD技术可以厚膜集成和薄膜集成两个方向。低温共烧陶瓷（LTCC）是厚膜IPD的典型代表，广泛运用在民航客机、通信基站中。然而LTCC基板烧结过程中容易产生热形变，难以预置无源元件，而且公差情况不佳，集成度有待提高;另外900度左右的烧结温度，也给埋置IC芯片等有源芯片带来极高的难度，难以实现有源元件和无源元件的混合集成。

而薄膜IPD技术主要基于集成电路产业，与光刻、CVD沉积、磁控溅射等工艺高度兼容，能提供优良的器件精度和功能密度。常用的衬底材料以高阻区熔硅为主，其产品成熟、热导率良好，因此大量应用于IPD技术中。

然而，集成电路用直拉硅单晶材料的电阻率较低，在微波频段会造成较大的介质损耗。近年来，随着单晶硅制备工艺的进步，可以通过区熔法或外延工艺获得电阻率高于2500Ω.cm的高阻硅，其可以满足高频微波信号的传输的需求。

2高阻区熔硅制备技术简介

近年来，IPD和SIP技术的广泛应用带动了高阻区熔硅材料市场的发展。目前，IPD和SIP技术所需要的区熔硅主要技术指标如表1所示。

区熔法又称Fz法（Float-Zone method），即悬浮区熔法，于1953年由Keck和Golay两人将此法用在生长硅单晶上。区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。調节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，其晶向与籽晶的相同。区熔法又大致可以分为两种：即水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、砷化镓等材料的提纯和单晶生长。后者主要用于硅单晶的生长。这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的坩埚，不能采用水平区熔法。区熔硅单晶由于在它生产过程中不使用石英坩埚，氧含量和金属杂质含量都远小于直拉硅单晶，因此它主要被用于制作高压元件等领域，如可控硅、整流器等，其区熔高阻硅单晶（一般电阻率为几千Ω以至上万Ω）则可用于制作探测器件。

区熔硅单晶的生长过程包括：

第一、原料的准备：将高质量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，然后将一端切磨成锥形，再将打磨好的硅料进行腐蚀清洗，除去加工时的表面污染。

第二、装炉：将腐蚀清洗后的硅棒料安装在射频线圈的上边。将准备好的籽晶装在射频线圈的下边。

第三、关上炉门，用真空泵排除空气后，向炉内充入惰性气体（氮气或氢与氮的混合气等），使炉内压力略高于大气压力。

第四、给射频圈送上高频电力加热，使硅棒底端开始熔化将棒料下降与籽晶熔接。当熔液与籽晶充分熔接后，使射频线圈和棒料快速上升，以拉出一细长的晶颈，消除位错。晶颈拉完后，慢慢地让单晶直径增大到目标大小此阶段称为放肩。放肩完成后。转入等径生直到结束。区熔生长工艺区熔晶生长的难点在于：第一、电磁托力。高频电磁场对熔区的形状及稳定性都有一定的影响，尤其当高频线圈内径很小时，影响较大。以至此种支撑力在某种程度上能与表面张力相当。晶体直径越大，电磁支撑力的影响就越显著。第二、重力。重力破坏熔区的稳定。当重力的作用超过了支撑力作用时，熔区就会发生流熔，限制了区熔单晶的直径。若无重力影响，Fz法理论上可以生长出任何直径的单品;第三、离心力。由晶体施转引起离心力，主要影响固液界面的熔体。晶体直径越大，影响愈大。因此大单晶制备需要找到用适宜的低转速。

区熔硅单晶的生长设备系统由机械结构设备、电力供应及辅助设施构成：机械设备包括晶体旋转及升降机构，高频线圈与晶棒相对移动的机构，硅多晶料的夹持机构等;电力供应包括高频电源及其传送电路各机械运行的控制电路。高频电源的频率为2～4MHz;辅助设施包括水冷系统和保护气体供应与控制系统、真空排气系统等。

利用区熔法生长大直径硅单晶比直拉法困难得多，要克服的主要问题是熔区的稳定性。这可用“针眼技术”解决。另一项重大成就是中子嬗变掺杂，它使电力电子器件得到飞跃发展。区熔技术无法控制熔体对流和晶体/熔体边界层厚度，因而电阻率的波动比直拉硅单晶大。高的电阻率不均匀性限制了大功率整流器和晶闸管的反向击穿电压，而利用中子嬗变掺杂可获得掺杂浓度很均匀的区熔硅（简称NTD硅），从而促进了大功率电力电子器件的发展与应用。区熔硅单晶的最大直径为200mm，并已商品化。

区熔硅单晶包括本征硅单晶和掺杂硅单晶。目前，区熔硅单晶的掺杂方法包括沉积法、硅芯掺杂法、溶液涂敷掺杂法、棒孔掺杂法、中子嬗变掺杂法和气相掺杂法等，而气相掺杂（Gas Doping，简称GD）和中子嬗变（Ncutron Transmutation Doping;简称NTD）是最常用的两种方法。GD硅单品主要应传统电力电子器件领域，占区熔市场的60%左右具有高少子寿命高掺杂效低生产成本等优势，但RRV较差，可导致率整流器和晶闸管的反向穿电压降低。而中子嬗变掺杂硅单晶主要应用于电站新能源汽车变压变频器件等领域，占区熔市场的40%左右，其具有丰常均匀的掺杂浓度，径向电阻率分布也非常均匀，但是生产成本较高。

参考文献

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