特高壓晶閘管門-陰極電隔離制造新技術(shù)

文/吳飛鳥

為優(yōu)化能源資源配置，實現(xiàn)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展，直流輸電容量不斷擴大，而特高壓晶閘管又是特高壓直流輸電換流閥的核心器件，所以對特高壓晶閘管各工藝進行優(yōu)化勢在必行。本文就是分析了傳統(tǒng)的門-陰極電隔離優(yōu)缺點，通過版圖及刻蝕工藝優(yōu)化設(shè)計，發(fā)展了一種全新的門-陰極電隔離制造技術(shù)，并通過實驗驗證了新技術(shù)的可行性。

1 傳統(tǒng)的門-陰極電隔離制造技術(shù)

1.1 燒結(jié)型電隔離

隨著特高壓晶閘管電流容量不斷增大，在大電流工作狀態(tài)下鋁離子的電遷移率也越來越嚴重，所以傳統(tǒng)的做法是提高鋁膜厚度來保證高電壓大電流晶閘管的可靠性。隨著鋁膜的增厚，鋁膜的均勻性變差，另外，隨著鋁膜的增厚及鋁膜厚度不均勻現(xiàn)象加重，光刻微圖形加工時缺陷增多，線條出現(xiàn)鋸齒狀，且凹凸范圍±20um。

眾所周知，分立半導(dǎo)體器件面積越大，全面積均勻?qū)ㄔ诫y，線條鋸齒狀易形成電流集中導(dǎo)致器件局部燒毀。所以必須對傳統(tǒng)的燒結(jié)型門極-陰極電隔離電極制備進行優(yōu)化設(shè)計。

1.2 壓接型電隔離

傳統(tǒng)的壓接型電隔離是在燒結(jié)型電隔離的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種電隔離，它是通過兩次蒸鋁、兩次刻鋁來實現(xiàn)電隔離的。第一次蒸厚鋁，經(jīng)過一次刻鋁，裸露出門極及放大門極區(qū)域，再進行第二次蒸鋁，再進行第二次刻鋁，實現(xiàn)門-陰極電隔離。這樣的優(yōu)點是陰極區(qū)域鋁厚增加了，鋁離子的遷移影響減小了，可靠性提高。但是在生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)二次套版完全的重合幾乎不能實現(xiàn)，二次光刻后陰極側(cè)鋁鉆蝕情況嚴重，造成鋁線條在陰極側(cè)凹凸加劇，成品率較低。

2 優(yōu)化后的陰極-門極結(jié)構(gòu)

2.1 版圖優(yōu)化

表1：光刻條件優(yōu)化實驗

新型的門-陰極電隔離也是通過兩次刻鋁來完成。一次刻鋁版圖和二次刻鋁版圖在陰極側(cè)采用不重合的辦法。即一次刻鋁后裸露出門極、放大門極及靠近PN結(jié)陰極邊緣區(qū)域，再進行二次蒸鋁，在只有二次蒸鋁的區(qū)域進行第二次刻鋁，實現(xiàn)門-陰極電隔離。這樣做的優(yōu)勢是參與二次刻鋁的鋁膜厚度一致，而且二次鋁膜可以更薄，這樣為提高二次刻鋁質(zhì)量提供有利條件。另外，一次鋁膜不參加微細圖形加工，所以一次鋁膜厚度可以更厚，增加縱向隔離效果，降低鋁離子遷移影響，提高芯片在應(yīng)用中的可靠性。

2.2 光刻刻蝕優(yōu)化

針對傳統(tǒng)的壓接型門-陰極電極鋁線條不均勻、鋸齒現(xiàn)象，分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，主要集中在兩個方面，一方面膠膜本身存在缺陷，分辨率不高，另一方面是腐蝕過程不容易控制，有掉膠現(xiàn)象。我們從這兩個方面進行了優(yōu)化。

2.2.1 光刻膠膜分辨率優(yōu)化

光刻就是把掩膜版上的圖形通過光刻膠復(fù)制到薄膜上制作出圖形的過程，所以膠膜的質(zhì)量和分辨率是關(guān)鍵，它決定刻蝕質(zhì)量。膠膜的質(zhì)量及分辨率由膠膜的厚度、均勻性，前烘溫度，爆光時間，堅膜溫度這幾個關(guān)鍵參數(shù)決定，所以提高膠膜的質(zhì)量及分辨率主要是要通過大量實驗找出這幾個參數(shù)的最佳組合。

根據(jù)我們的設(shè)備，工藝的復(fù)雜性，通過對影響光刻工藝質(zhì)量因素的分析，根據(jù)經(jīng)驗針對特高壓晶閘管確定了幾套實驗方案，分別是不同的勻膠速度、預(yù)烘時間及溫度、不同的曝光時間，通過顯微鏡觀察各實驗條件下光刻掩膜膠質(zhì)量，確定最佳光刻條件。

本實驗光刻間潔凈度在1000級以上，溫度保持在20～25℃左右，相對濕度在50℃以下，H52-15ZF自動勻膠機，ABM光刻機（光強 9.5--10.0 mW/cm2），MX50A顯微鏡，BM-308負性光刻膠，實驗條件及結(jié)果對比如表1所示。

經(jīng)過反復(fù)試驗，確定最佳光刻工藝條件，定型了甩膠速率、前烘溫度及時間、曝光及顯影時間，堅膜溫度及時間如表1所示，得到分辨率高、膠膜均勻且耐腐蝕的膠膜層，為下一步腐蝕工藝的順利進行打下良好的基礎(chǔ)。

2.2.2 腐蝕的精確控制

在實驗中我們采用磷酸腐蝕鋁膜制作的方法。實驗過程中發(fā)現(xiàn)同一籃片子的不同位置腐蝕效果不同，靠兩頭區(qū)域線條較好，籃子中間位置鉆蝕較重，線條不陡直，針對這種現(xiàn)象我們對腐蝕過程加以分析。

圖1：刻蝕線條

此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，并且放應(yīng)過程中有大量氣體產(chǎn)生。靠籃子中間位置熱量易于聚集，實際酸溫已經(jīng)高于工藝要求溫度。另外，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不能及時排出，造成鋁膜與酸不能均勻接觸。針對上面提到的問題，我們對腐蝕槽進行了改造。加了氮氣鼓泡系統(tǒng)及恒溫裝置，使反應(yīng)氣體能及時排出，并且腐蝕酸液充分循環(huán)，攪拌均勻，不會造成局部超溫及酸液配比改變的現(xiàn)象。經(jīng)過光刻工藝關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化及刻蝕用腐蝕槽的精確控制，刻蝕工藝后鋁線條如圖1所示。線條凹凸小于10um，工藝成品率大大提高。

3 實驗驗證

經(jīng)過計算機模擬及實驗，最終電極隔離寬度可以接近“零距離”，較傳統(tǒng)壓接型隔離寬度減小了50微米左右，且線條陡直無鉆蝕。

采用不同的陰-門極電隔離生產(chǎn)同類型6英寸8500V特高壓晶閘管，新型陰-門極電隔離芯片由于隔離距離減小，根據(jù)新型電力電子器件理論，動態(tài)特性響應(yīng)速度變快，有效導(dǎo)通面積增大，提高了晶閘管的通流能力。

4 結(jié)論

通過分析對比各種陰-門極電隔離技術(shù)的優(yōu)缺點，發(fā)展了一種全新的陰-門極電隔離制造技術(shù)，該技術(shù)使隔離距離最小化，陰極導(dǎo)通面積最大化。該技術(shù)優(yōu)勢明顯，并成功研制了6英寸8500V特高壓晶閘管，并用于國內(nèi)某特高壓直流輸電工程中。