高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统论文和设计-徐开凯

全文摘要

本实用新型公开了一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，包括加压釜、至少一个控制阀、涂布器、显微摄像头、计算机控制装置、光电检测模块和真空硅片台。本实用新型能够实现将玻璃粉按沟槽位置精确覆盖，并能够大量减少玻璃粉用量，且无丙酮使用成本。本实用新型适用于所有采用沟槽工艺生产的GPP二极管以及其他GPP工艺产品的钝化技术领域。

主设计要求

1.一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，其特征在于：包括加压釜、第一～第N控制阀、涂布器、显微摄像头、计算机控制装置、光电检测模块和真空硅片台；所述加压釜设置有N个出液口，N个出液口分别通过导管与第一～第N控制阀一一对应相连，第一～第N控制阀的控制信号输入端分别通过独立线路与计算机控制装置相连，第一～第N控制阀的输出端分别通过导管与涂布器相连，涂布器具有N个间距可调的喷口；所述真空硅片台的台面上设置有硅片运动区域、台面下方设置有运动机台，硅片运动区域是一个长方形区域；所述显微摄像头设置于硅片初始位置的上方，涂布器设置于长方形区域的中央上方，光电检测模块设置于显微摄像头与涂布器之间；所述N≥1。

设计方案

1.一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，其特征在于：包括加压釜、第一～第N控制阀、涂布器、显微摄像头、计算机控制装置、光电检测模块和真空硅片台；

所述加压釜设置有N个出液口， N个出液口分别通过导管与第一～第N控制阀一一对应相连，第一～第N控制阀的控制信号输入端分别通过独立线路与计算机控制装置相连，第一～第N控制阀的输出端分别通过导管与涂布器相连，涂布器具有N个间距可调的喷口；

所述真空硅片台的台面上设置有硅片运动区域、台面下方设置有运动机台，硅片运动区域是一个长方形区域；

所述显微摄像头设置于硅片初始位置的上方，涂布器设置于长方形区域的中央上方，光电检测模块设置于显微摄像头与涂布器之间；

所述N≥1。

2.根据权利要求1所述的高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，其特征在于：所述光电检测模块包括第一～第三光电检测头。

3.根据权利要求2所述的高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，其特征在于：所述第一～第三光电检测头结构相同，三者均包括一个设置有光敏电阻的圆锥状的壳体，壳体的顶端开设有直径不大于管芯沟槽宽度的通孔，壳体内表面有吸光涂层，三个壳体均顶部朝下竖直设置，第一光电检测头设置于长方形区域短边的中线上方，第二光电检测头和第三光电检测头对称设置于长方形区域短边的中线上方的两侧、并且二者之间的距离等于硅片上具有管芯区域的直径；

第一～第三光电检测头均包含信号处理电路和一个激光光源，三个激光光源均倾斜向下、出光口朝向“来片方向”、并且各自在硅片上所投光斑位于其所对应的光电检测头开口的正下方；

所述“来片方向”是硅片初始位置的方向。

4.根据权利要求1所述的高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，其特征在于：所述涂布器包括液压装置、支撑杆和N个空腔；

N个空腔沿支撑杆轴向呈“一字”型排列，每个空腔上均开设有一个入口和一个出口，第一～第N空腔的入口分别通过导管与第一～第N控制阀一一对应相连，第一～第N空腔的出口分别与第一～第N喷口一一对应相连，相邻两个空腔之间设置有中空的空心橡胶垫，每个空心橡胶垫都设置有一个通孔，各个空心橡胶垫的通孔分别通过导管与液压装置相连。

5.根据权利要求4所述的高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，其特征在于：所述支撑杆是一柱状的支撑杆，空腔是套在支撑杆外的环形空腔，空心橡胶垫是套在支撑杆外的环形空心橡胶垫，处于中间位置的环形空腔与支撑杆固定相连，其余的环形空腔和环形空心橡胶垫均可沿支撑杆轴向滑动，各个环形空心橡胶垫均与自身两侧的环形空腔固定连接；

当N是偶数时，处于中间位置的环形空腔是指位于中间的两个环形空腔中的任意一个。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于半导体功率器件的制造技术领域，用于在GPP工艺中形成钝化层，具体地说是一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统。

背景技术

随着电子设备计算速度和处理能力的增加，其功耗也在不断的增加，为满足大功率设备的供电需求，功率半导体器件，例如功率二极管、MOS管等器件被广泛用于这些电子设备中。上述功率器件多用于电源电路中，起到高低电压转换的作用，因此，通常要求这些器件有着较高的电压耐受能力。为了防止器件被击穿，需要对器件进行钝化保护。由于玻璃具有良好的绝缘能力， GPP工艺（即玻璃钝化保护工艺）成为目前钝化保护的主流工艺。

传统的GPP工艺主要有两种方法，分别是刀刮法和电泳法，它们各自均存在一些缺陷：刀刮法要求将玻璃粉涂在整个硅片上，之后用刀刮去多余的部分，仅留下沟槽中的玻璃粉，但是硅片表面的玻璃粉往往不能被完全除去，管芯表面会有大量玻璃粉残留，从而导致烧成过后形成玻璃点，因此不得不通过二次套刻来解决这一问题，增加一次光刻工艺会明显提高成本；电泳法是在硅片上连接电极，使玻璃粉在丙酮溶液中电泳，最终吸附在沟槽中，它可以改善玻璃点现象，但会消耗大量丙酮，增加成本，同时产生的丙酮废液难以处理。因此，如何更加低成本、高质量地完成玻璃粉的覆盖工序，是所有采用GPP工艺的生产线面临的一个共同难题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，能够实现将玻璃粉按沟槽位置精确覆盖，并能够大量减少玻璃粉用量，且无丙酮使用成本。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统，包括加压釜、第一～第N控制阀、涂布器、显微摄像头、计算机控制装置、光电检测模块和真空硅片台；

所述真空硅片台的台面上设置有硅片运动区域、台面下方设置有运动机台，硅片运动区域是一个长方形区域；

所述显微摄像头设置于硅片初始位置的上方，涂布器设置于长方形区域的中央上方，光电检测模块设置于显微摄像头与涂布器之间；

所述N≥1。

作为限定：所述光电检测模块包括第一～第三光电检测头。

作为进一步限定：所述第一～第三光电检测头结构相同，三者均包括一个设置有光敏电阻的圆锥状的壳体，壳体的顶端开设有直径不大于管芯沟槽宽度的通孔，壳体内表面有吸光涂层，三个壳体均顶部朝下竖直设置，第一光电检测头设置于长方形区域短边的中线上方，第二光电检测头和第三光电检测头对称设置于长方形区域短边的中线上方的两侧、并且二者之间的距离等于硅片上具有管芯区域的直径；

所述“来片方向”是硅片初始位置的方向。

作为第二种限定：所述涂布器包括液压装置、支撑杆和N个空腔；

作为进一步限定：所述支撑杆是一柱状的支撑杆，空腔是套在柱状的支撑杆外的环形空腔，空心橡胶垫是套在柱状的支撑杆外的环形空心橡胶垫，处于中间位置的环形空腔与柱状的支撑杆固定相连，其余的环形空腔和环形空心橡胶垫均可沿支撑杆轴向滑动，各个环形空心橡胶垫均与自身两侧的环形空腔固定连接；

当N是偶数时，处于中间位置的环形空腔是指位于中间的两个环形空腔中的任意一个。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型采用了空心橡胶垫与液压装置配合来完成喷口间距的调节，解决了小空间内同时完成多个喷口间距调节的难题，能够在硅片型号切换后自动调节涂布器尺寸并继续工作；

（2）本实用新型采用光电检测模块来校对和确定硅片的位置，既可以为涂布过程中控制阀的开启和关闭提供依据，又能够防止因图像识别错误导致玻璃粉污染管芯表面；

（3）本实用新型采用了圆锥结构的光电探测头，解决了光敏电阻尺寸比沟槽尺寸大一个数量级的问题，使检测头感光尺寸小于沟槽宽度，提高了位置检测的精度。

本实用新型适用于所有采用沟槽工艺生产的GPP二极管以及其他GPP工艺产品的钝化技术领域。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的涂布器、控制阀阵列与硅片配合示意图；

图3为本实用新型实施例的涂布器局部结构示意图；

图4为本实用新型实施例的涂布器另一个角度的局部结构示意图；

图5为本实用新型实施例的光电检测头局部结构示意图；

图6为本实用新型实施例的光电检测模块分布示意图。

图中：1、显微摄像头， 2、计算机控制装置，3、运动机台，4、真空硅片台，5、涂布器，51、支撑杆，52、环形空腔、53、空心橡胶垫、54、液压装置，55、喷口，56、液压导管阵列，6、控制阀阵列，7、加压釜，8、光电检测模块，81、信号处理电路，82、光敏电阻，83、壳体，84、激光光源，9、硅片，10、玻璃粉混合液导管阵列，801、第一光电检测头，802、第二光电检测头，803、第三光电检测头。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一种高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化系统

如图1-图6所示，本实施例包括加压釜7、多个控制阀组成的控制阀阵列6、涂布器5、显微摄像头1、计算机控制装置2、光电检测模块8和真空硅片台4。

为了方便说明，设定本实施例中控制阀的数量是四十九个。

加压釜7设置有四十九个出液口，第一～第四十九出液口分别通过导管与第一～第四十九控制阀一一对应相连，每个控制阀的控制信号输入端分别通过独立线路与计算机控制装置2相连，控制阀阵列6的输出端通过玻璃粉混合液导管阵列10与涂布器5相连。

涂布器5具有四十九个间距可调的喷口55，涂布器5包括液压装置54、液压导管阵列56、柱状的支撑杆51和四十九个套在支撑杆51外的环形空腔52；四十九个环形空腔52沿支撑杆51轴向呈“一字”型排列，每个环形空腔52上均开设有一个入口和一个出口，第一～第四十九环形空腔52的入口分别通过玻璃粉混合液导管阵列10中的各自对应的导管与第一～第四十九控制阀的输出端一一对应相连，第一～第四十九环形空腔52的出口分别与第一～第四十九喷口55一一对应相连，相邻两个环形空腔52之间设置有套在支撑杆51外的环形空心橡胶垫53，每个空心橡胶垫53都设置有一个通孔，各个空心橡胶垫53的通孔分别通过液压导管阵列56中各自对应的导管与液压装置54相连；处于中间位置的环形空腔52与支撑杆51固定相连，其余的环形空腔52和空心橡胶垫53均可沿支撑杆51轴向滑动，各个空心橡胶垫53均与自身两侧的环形空腔52固定连接。

涂布器5还包括喷口夹具，喷口夹具包括两个夹具组件，每个夹具组件均包括固定件和带动固定件运动的驱动件，两个固定件分别设置于最外侧的两个环形空腔52的外侧。

真空硅片台4的台面上设置有硅片运动区域、台面下方设置有运动机台3，硅片运动区域是一个长方形区域，根据常识可知硅片9运动的方向与长方形区域长边平行；显微摄像头1设置于硅片初始位置的上方，涂布器5设置于长方形区域的中央上方，光电检测模块8设置于显微摄像头1与涂布器5之间；涂布器5的四十九个喷口55呈一字排列并与长方形区域的长边垂直。

光电检测模块8包括第一～第三光电检测头801～803。

本实施例中，第一～第三光电检测头801～803结构相同，各自均包含有一个信号处理电路81，信号处理电路81的信号输出端与计算机控制装置2的信号输入端相连；三个光电检测头均包括一个设置有光敏电阻82的圆锥状的壳体83，壳体83的顶端开设有直径不大于管芯沟槽宽度的通孔，壳体83内表面有吸光涂层，三个壳体83均顶部朝下竖直设置，第一光电检测头801设置于长方形区域短边的中线上方，第二光电检测头802和第三光电检测头803对称设置于长方形区域短边的中线上方的两侧、并且二者之间的距离等于硅片9上具有管芯区域的直径；第一～第三光电检测头均包含一个激光光源84，三个激光光源84均倾斜向下、出光口朝向“来片方向”并且各自在硅片9上所投光斑的反射光竖直穿入各自所对应光电检测头的壳体83内；

为了方便说明，本实施例定义“来片方向”是硅片9初始位置的方向，以图1为例，硅片9的初始位置是图中真空硅片台4的右边，三个激光光源84均倾斜朝向右下方，硅片9从右向左运动。当硅片9运动时，三个激光光源84在硅片9上形成的光斑的反射光恰好从各自所对应的光电检测头顶部的通孔进入。

本实施中，加压釜7出液口的数量、控制阀的数量、环形空腔52的数量和喷口55的数量均相同，使用者还可以根据实际情况设置；支撑杆51的形状是圆柱状。

采用本实施例实现高压台面半导体器件的3D打印沟槽玻璃钝化工艺，包括依次进行的以下步骤：

一、在加压釜7中加入玻璃粉混合液，将硅片9放在真空硅片台4上；

玻璃粉混合液由直径是7.5μm～15μm的铅系玻璃粉与混合溶剂按照3：0.9的质量份数比制成的粘稠泥状混合液，混合溶剂由乙基纤维素、甲苯、乙醇按照1.1：3.5：0.8的质量份数比混合而成；

二、显微摄像头1将拍摄到的硅片9的图像发送到计算机控制装置2，计算机控制装置2利用其内部设置的图像软件对收到的硅片图像识别，并根据识别结果调整真空硅片台4直至硅片9沟槽的X方向平行于长方形区域的长边，且沟槽对准涂布器5的出液口；

三、计算机控制装置2利用其内部设置的图像软件判断硅片9沟槽的间距，并相应地调整涂布器5的喷口55的间距使之等于硅片9沟槽的间距；

四、调整真空硅片台4的高度使涂布器5的喷口55与硅片9表面的距离为40μm；

五、运动机台3带动硅片9按照设定的速度匀速运动；

六、光电检测模块8将检测到的信号反馈至计算机控制装置2，当光电检测模块8检测到符合要求的硅片信号时，计算机控制装置2开始计时并根据设定控制涂布器5工作直至完成X方向沟槽的涂布；

在上述过程中，如果经过规定的时间光电检测模块8没有检测到符合要求的硅片信号，则返回步骤二；

七、计算机控制装置2控制运动机台3带动硅片9回到初始位置并将硅片9在水平面内旋转90°，然后按照跟X方向沟槽涂布过程相同的方式完成Y方向沟槽的涂布；

八、将硅片9放入离心机旋转，调整离心机转速，使离心加速度为重力加速度的10倍，以使玻璃粉混合液与沟槽壁、沟槽底部紧密贴合；

九、将硅片9水平置于150℃的环境下烘焙15min使乙醇和甲苯充分挥发，接着将硅片9置于炉管中，先在550℃温度下通入氧气使乙基纤维素充分燃烧， 25min后提高炉管温度至850℃并保持25min，使剩余的玻璃粉软化，然后降低温度至620℃保持20min；

十、降低温度退火完成整个工艺流程。

其中，步骤六包括以下步骤，

（一）三个激光光源84的反射光分别通过各自对应的壳体83顶部的通孔对应进入第一～第三壳体83，第一～第三光电检测头801～803的光敏电阻82将各自检测到的光信号经过各自的信号处理电路81处理之后发送至计算机控制装置2，计算机控制装置2根据收到的信号判断各个光电检测头是否检测到沟槽；

（二）当第二光电检测头802和第三光电检测头803同时检测到沟槽时，计算机控制装置2开始计时，经过特定的时间如果第一光电检测头801也检测到光源，则表示光电检测模块8检测到了符合要求的硅片信号。

上述步骤（二）中，第二光电检测头802和第三光电检测头803同时检测到沟槽时表示沟槽的X方向平行于长方向区域的长边，实际上步骤（一）和（二）是对硅片9位置的进一步检测，也进一步确保了喷涂的精确度。因为激光投射在硅片9的沟槽上和其它区域的反射光的强度不同，因此最终计算机处理装置接收到的信号不同。

在本实施例中，因为步骤六和步骤七的喷涂过程，喷口55都要经过各自所对应沟槽X方向沟槽和Y方向沟槽的交点，因此步骤六和步骤七中当喷口55经过X方向沟槽和Y方向沟槽的交点时，控制阀的开口缩小至原来的一半，这样，经过两次喷涂，交点处玻璃粉混合液的喷涂量与沟槽其它位置的相同。因为有过二次喷涂，交点上玻璃粉混合液存在重叠现象，而胶状的玻璃粉混合液具有粘滞性，可能导致交点区域部分表面出现空隙，因此，步骤八中将硅片9放入离心机中旋转，使混合液与沟槽壁和底部紧密贴合，旋转过程中，硅片9垂直于旋转半径方向。

步骤三中，若所需加工的硅片9型号与管芯尺寸发生变化时，计算机控制装置2将根据光刻版图文件对喷口55间距进行调节，具体过程为：液压装置54接收到计算机控制装置2的指令之后，将向空心橡胶垫53中充入液体或将液体吸出，此时，环形空腔52受到空心橡胶垫53的挤压或者牵拉，会发生相对运动，显微摄像头1测量喷口55间距，直至间距满足要求，则夹具合拢，将所有环形空腔52固定。

步骤六中，由于硅片9是圆形的，所有的沟槽不会同时到达喷口55的下方，因此，要使玻璃粉混合液恰好在沟槽运动至喷口55下方时流出，要依靠计算机控制装置2中的具有计时功能的软件来实现，随着软件中的计时器运转，每经过特定时间，对应喷口55的控制阀打开，玻璃粉混合液被喷出并附着于沟槽之内；当X方向的涂布完成一半时，每经过特定时间，对应喷口55的控制阀关闭，直到X方向涂布完成，所有的控制阀关闭。上述特定时间的具体时长根据不同管芯的尺寸预先设定即可。

上述工艺步骤还可以做出以下改变：①步骤四中，调整真空硅片台的高度使涂布器5的喷口55与硅片表面的距离为200μm；

②玻璃粉混合液由直径是7.5μm～15μm的铅系玻璃粉与混合溶剂按照2.7：0.8的质量份数比制成的粘稠泥状混合液，混合溶剂由乙基纤维素、甲苯、乙醇按照1：3.85：0.88的质量份数比混合而成；

③步骤八中，将硅片9放入离心机旋转，调整离心机转速，使离心加速度为重力加速度的8倍，以使玻璃粉混合液与沟槽壁、沟槽底部紧密贴合；

④步骤九中，将硅片9水平置于200℃的环境下烘焙25min使乙醇和甲苯充分挥发，接着将硅片9置于炉管中，先在585℃温度下通入氧气使乙基纤维素充分燃烧，20min后提高炉管温度至825℃并保持22.5min，使剩余的玻璃粉软化，然后降低温度至580℃保持23min。

上述工艺步骤还可以做出以下改变：

①步骤四中，调整真空硅片台的高度使涂布器5的喷口55与硅片表面的距离为120μm；

②玻璃粉混合液由直径是7.5μm～15μm的铅系玻璃粉与混合溶剂按照3.3：1.0的质量份数比制成的粘稠泥状混合液，混合溶剂由乙基纤维素、甲苯、乙醇按照0.9：3.15：0.72的质量份数比混合而成；

③步骤八中，将硅片9放入离心机旋转，调整离心机转速，使离心加速度为重力加速度的12倍，以使玻璃粉混合液与沟槽壁、沟槽底部紧密贴合；

④步骤九中，将硅片9水平置于175℃的环境下烘焙20min使乙醇和甲苯充分挥发，接着将硅片9置于炉管中，先在620℃温度下通入氧气使乙基纤维素充分燃烧， 22min后提高炉管温度至800℃并保持20min，使剩余的玻璃粉软化，然后降低温度至550℃保持25min。

设计图

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