2.2 Технологический процесс изготовления приборных структур полупроводниковых измерительных преобразователей оптических излучений

Технологические процесс создания ИП зависит от функциональных возможностей их структурной схемы и конст­руктивной реализации. В пленочном исполнении ПИП могут представлять МДП-структуры, а сложные ИП являются аналогами интегральных схем и содержат ПИП, усилительный и преобразовательный элементы, выполненные на общей подложке.

Для преобразователей излучений, реализованных в виде пленочных сэн­двич-структур, используем следующие основные этапы их изготовления:

а) составление приближенного эскиза и выполнение точного чертежа конструкции в требуемом масштабе;

б) анализ чертежа конструкции с целью выделения всех технологических разводных групп ее элементов (пассивных элементов, р-n переходов, МДП-структур и т.д.);

в) создание прецизионных фотошаблонов путем последовательного уменьшения изображения чертежа до размеров, указанных в схеме;

г) вакуумное напыление структур с помощью масок;

д) выбор и определение качества диэлектрических, полупроводниковых либо металлических подложек;

е) осаждение в вакууме материалов, необходимых для формирования элементов ИП, получения их структуры путем конденсации распыляемых материалов с помощью масок и травления пленочных покрытий после нанесения рисунка;

ж) формирование структуры измерительного преобразователя путем окисления, маскирования, травления, эпитаксиального осаждения и диффузии при использовании фотолитографии;

з) подсоединение активных компонентов и подсоединение внешних электрических выводов (на завершающем этапе).

Выбор типа преобразователя с последующим определением его конструк­ции, структуры и взаимосвязи активных и пассивных элементов, технологии из­готовления осуществляем с учетом его функционального назначения, диапазона рабочих параметров, массо-габаритных показателей. С учетом данных требова­ний прорабатываем эскиз измерительного преобразователя оптических излуче­ний, на котором отображаем в деталях все функциональные элементы преобра­зователя, их взаимосвязи, указываем перечень используемых материалов, тип ак­тивных структур.

При подготовке чертежа структуры ИП выбираем его масштаб с учетом размеров конечного шаблона. Для последующей обработки размер чертежей увеличен в 10-30 раз. Также необходимо соблюдать требуемую точность, которая определяется точностью изготовления графического изображения компонентов преобразователя и их взаимного распо­ложения на чертеже.

Следующий важный этап в процессе производства миниатюрных ИП - ана­лиз представленной на чертеже конструкции преобразователя. На этом этапе вы­деляем все технологически разнородные группы элементов конструкции, на ос­новании чего осуществляем выбор подложек, исходных материалов, методов формирования пленок, типов активных, пассивных структур, омических контак­тов, производим уточнение конфигурации структур ИП и взаимного расположе­ния элементов, выясняем общий характер интегрально-групповой технологии получения преобразователей (масочный или фотолитографический).

Для изготовления тонкопленочных компонентов ИП путем испарения в ва­кууме используем масочный метод, инструментом которого являют­ся маски-жесткие пластины (металлические, графитовые и стеклянные) с отвер­стиями по плоскости, соответствующими заданной конфигурации формируемых структур ИП. В технологическом процессе формирования пленочных структур ИП маску располагаем в под колпачном объеме вакуумной установки, которая непосредственно соприкасается с подложкой, что обеспечивает осаждение испа­ряющегося вещества только на ее открытую поверхность. Для точного воспроиз­ведения рисунка маски в осаждаемых пленках необходимо учитывать следую­щие факторы:

а) длина свободного пробега частиц испаряющегося вещества должна быть больше расстояния маска-подложка, чтобы избежать хаотической конденсации испаряющегося вещества; коэффициент сцепления потока частиц испаряемого вещества с подложкой выбирается близким к единице во избежание вторичного испарения и осаждения.

Так как многослойные пленочные структуры преобразователей создают­ся в результате ряда последовательных операций напыления, необходимо гео­метрическое соответствие рисунков в масках. Ес­ли заданная конфигурация формируемых компонентов ИП не позволяет приме­нять металлические маски, необходимо осуществлять избирательное удаление соответствующих участков напыленных пленок.

Для избирательного осаждения пленочных структур ИП используем кон­тактные и неконтактные (монолитные) маски.

При выборе базовых оснований (подложек) их размеры устанавливаем в со­ответствии со степенью сложности конструкции и интеграции компонентов пре­образователя, а материалы - в соответствии с требованиями, предъявляемыми к электрическим и тепловым свойствам подложек. Высокая теплопроводность, обеспечивающая необходимый теплоотвод, а также идентичность коэффициен­тов линейного расширения осаждаемых пленок и подложки являются важными условиями их выбора. Материалы подложки и структура поверхности должны обеспечивать высокую адгезию конденсируемых пленок к подложке.

По совокупности электрических, тепловых и механических свойств, стойко­сти к химическим воздействиям, микрорельефу поверхности наиболее рацио­нальными материалами для подложек являются ситаллы. Если подложка выпол­няет функцию одного из омических контактов либо является одним из компо­нентов формируемой пленки соединения (например, реакционной диффузией), она изготавливается из металла. Общие требования к металлическим подложкам такие же, как и к диэлектрическим. Для каждого типа наращиваемого полупро­водникового пленочного компонента ИП выбираем определенный металл, кото­рый создает надежный омический контакт с полупроводниковой пленкой. В ка­честве базовых полупроводниковых подложек ИП используем монокристалличе­ские пластины требуемой толщины с ориентированной в заданной кристалло­графической плоскости (обычно <111>) совершенной поверхностью.

Выбор технологии получения миниатюрных ИП оптических излучений в виде пленочной сэндвич-структуры зависит от метода нанесения пленок и фор­мирования конфигураций. Результаты экспериментальных исследований пока­зывают, что при создании структур ИП на металлической и диэлектрической подложках предпочтительны следующие технологические способы: вакуумный с использованием свободных масок (масочный); комбинированный, основанный на вакуумном формировании пленок и применении свободных масок и фотолитографии.

Масочный метод формирования миниатюрных преобразователей излучений используем при получении пленок структуры ИП с помощью съемных масок, причем для каждого слоя структуры требуется отдельная маска. Металлические, полупроводниковые, диэлектрические пленки различной конфигурации создаем путем термического испарения вещества в вакууме либо его ионно-плазменного распыления через металлические маски.

Катодный метод распыления для этого случая нецелесообразно использовать, поскольку металлическая маска, являясь экраном, искажает электрическое поле между катодом и анодом, что в итоге мо­жет привести к прекращению процесса распыления.

Формирование приборных структур многофункциональных измерительных преобразователей оптических излучений, включающих сочетание р-n гомо-, ге­теропереходов, МДП пленочных систем, с использованием фотолитографии, окисления, эпитаксиального осаждения и диффузии производим согласно техно­логическим процессам, приведенным в таблице 2.6.

Полупроводниковую пластину (подложку), материалом которой является кремний n-типа с удельным сопротивлением 2,5-10 Ом∙см, после подготовки ее поверхности подвергаем термическому окислению для создания изоляционного оксидного слоя SiO₂. Создание области р-типа для формирования канала п-типа проводимости производим с помощью фотолитографии и загонки путем двух-стадийной диффузии бора в открытую поверхность подложки на заданную глу­бину. Затем посредством фотолитографии и диффузии поочередно формируем области истока и стока в структурах подложки n- и р-типа глубиной 1-2 мкм. Очередное (четвертое) маскирование и травление выявляет открытые участки кремниевой подложки для создания подзатворных диэлектрических слоев, кото­рые формируем либо термическим окислением в сухом кислороде, либо реак­тивным распылением слоя толщиной 0,1 - 0,15 мкм.

Таблица 2.6 Технологический процесс получения миниатюрного измерительного преобразователя

Продолжеие таблицы 2.6

Окончание таблиы 2.6

Затем для получения первой металлизации производим фотолитографию и путем напыления алюминиевого слоя, удаления фоторезиста и термического вжигания Аl создаем омические контакты с областями стока, затвора и истока МОП структур. Последующей фотолитографией и реактивным распылением на­носим защитный оксидный слой, исключающий электрическую связь стока пер­вой МОП-структурой с истоком другой. Результатом шестого маскирования и травления, а также второй металлизации является установление электрической связи МОП-структур между собой. Завершающая стадия формирования структу­ры миниатюрного преобразователя излучений состоит в нанесении защитного изоляционного слоя Si0₂, для чего используем операции очередной фотолито­графии и реактивного распыления материала.

Получаемый преобразователь представляет собой комплементарную двой­ную триодную МОП-структуру, первый триод которой выполняет функции пре­образователя оптических излучений, а второй - усиление выделенного преобра­зователем сигнала.

При выполнении технологического процесса осуществляем послеоперационный контроль. Сюда относятся операции по контролю качества сформированных полупроводниковых и диэлектрических структур (качества очистки, окисления, диффузии, эпитаксиального наращивания, металлизации, напыления, фотолитографии).

В используемой технологической схеме формирования приборной структу­ры ИП оптических излучений рационально сочетаются вакуумное напыление и фотолитография, при этом наиболее ответственная по точности операция - со­вмещение - производится в стационарных условиях фотолитографического про­цесса. При поточном производстве ИП формируется матрица приборных струк­тур, которая затем разделяется на отдельные микросборки с помощью стандарт­ной операции скрайбирования.

Вывод:

Был рассмотрен технологический процесс производства миниатюрных полупроводниковых пре­образователей излучений на базе твердотельной и гибридно-пленочной техноло­гии, позволяющий обеспечить серийное производство новых классов полупро­водниковых преобразователей оптических излучений, преобразователей солнеч­ной энергии.