11.3 Принципы и особенности построения вопс (волоконно-оптической системы передач).

С точки зрения проектировщиков ВОСП выбор и получение оптимального типа волокна является критическим, но не завершающим этапом в сложном процессе изго­товления оптического кабеля. После вытяжки волокна технологам приходится ре­шать ряд сложных проблем, чтобы в процессе заделки волокна в кабель не были ухудшены характеристики волокна, а также чтобы эти характеристики не подверга­лись заметной деградации в процессе прокладки и эксплуатации ВОСП.

Волокно является исходным продуктом для скрутки кабеля искомой конструкции. Кабели разных типов в зависимости от областей применения могут иметь от 1 до 144 во­локон, которые либо укладываются в спиральные пазы или канавки, либо заливаются в сердечник кабеля вместе с упрочняющими и токоведущими элементами. Для изготов­ления кабелей традиционного типа, т. е. цилиндрических, используются крутильные машины, похожие на аналогичные устройства в традиционном кабельном производст­ве. При изготовлении ленточных кабелей технология иная и более напоминает процесс изготовления электрических проводников ленточной формы. Сечения некоторых типов кабелей показаны на рисунке 11.3.1.

Рисунок 11.3.1. Сечение кабелей:

а—повивная скрутка; б—многоповивная скрутка; в—пучковая скрутка; 1 —оптическое волокно; 2 — промежуточный корд; 3 — оболочка кабеля; 4 — упрочающий элемент

Практическое занятие n1 Определение профилей распределения примесей при термической диффузии

В настоящее время при формировании легированных областей в объеме твердого тела широко используются метод термической диффузии примесей и метод ионной имплантации (внедрения) примесей.

Исторически метод термической диффузии примесей на ранних этапах развития микроэлектроники являлся единственным для модифицирования приповерхностных свойств (типа проводимости, электропроводности, рекомбинационных свойств и др.) твердого тела. В дальнейшем появился более прогрессивный прецизионный метод легирования - ионная имплантация.

Однако термическая диффузия при производстве изделий ЭОТ используется как метод разгонки примесей после ионной имплантации.

При рассмотрении диффузионных процессов следует выделить два класса задач: первый - построение профилей распределения примесей и второй - определение геометрических размеров легированных областей (глубин залегания) при заданных технологических режимах процесса диффузии.

Рассмотрим первый из них.

В полупроводниковой технологии интерес представляют два случая распределения примесных атомов.

1. Диффузия из источника с ограниченным содержанием примеси (ограниченный источник). Примесь в начальный момент находится в бесконечно тонком поверхностном слое. Тогда профиль распределения концентрации имеет вид нормального распределения

(1.1)

где N - плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см²;

х - глубина, соответствующая данной концентрации, см;

D - коэффициент диффузии примеси, см²/с;

t - время диффузии, с.

Глубина залегания р-n -перехода:

(1.2)

где Со - поверхностная концентрация примеси - ат/см³;

С_В - концентрация примеси в исходной пластине - ат/см³.

В нашем случае, когда х = 0 из (1) следует, что

(1.3)

Для практических случаев можно пользоваться приближенной формулой

(1.4)

2.Диффузия из источника с постоянной поверхностной концентрацией примеси (бесконечный источник)

(1.5)

Где - табулированная функция ошибок

Со= const и определяется предельной растворимостью примеси при температуре диффузии;

функция erfc - табулирована, но можно использовать ее аппроксимацию

(1.6)

Для этого случая глубина залегания р-n- перехода

(1.7)

При последовательной диффузии нескольких примесей выражении для C(x,i) нужно использовать еумму

(1.8)

Расчет распределения примеси в случае двухстадийной диффузии

Стадия загонки протекает в течение короткого времени t| up постоянной поверхностной концентрации Со,.

Введенное при загонке количество примесных атомов (N, ат/см² сдужит источником диффузанта при разгонке в течение времени t изменяющейся во времени поверхностной концентрацией С₀2:

(1.9)

Для построения профиля распределения примеси при двухстадийной диффузии необходимо знать температуры и время загонки и разгонки. Температура загонки Ti - определяет коэффициент диффузии D| и поверхностную концентрацию Q>i, определяемую предельной растворимостью примеси.

Поверхностная плотность атомов примеси, введенной при загонке, определяется выражением

(1.10)

Распределение примеси после разгонки определяется выражением

(1.11)

Пример 1. Построить профиль распределения примеси и определить глубину залегания p-n-перехода в случае двухстадийной диффузии Р в Si р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом-см, проводимой в режиме:

T₁ = 1050°C; t₁ = 10 мин;

Т₁=1150°С; t₂ = 2 ч.

Решение:

1. Так как на стадии загонки поверхностная концентрация C_Oi постоянна и определяется ггредельной растворимостью примеси при данной температуре, ее можно определить из графика зависимости С =f(Т)(рис.1.3.)Ш,

Находим, что для 1050 °С предельная растворимость Р в Si составляет 1.2 • 10²' см"³, т.е.

2. Необходимо определить Di при Т = 1050 °С. Из. графика D=f(T) (рис. 1.4.) находим, что

3. Определим количество атомов Р или поверхностную плотность атомов примеси, введенную при загонке, из выражения

4. Стадия разгонки. Находим D₂ из той же зависимости D = f(T); для температуры разгонки 1150 °С получаем

D₂ = 4 • 10^-13 cm²/c.

5. Можем определить распределение примеси после разгонки из выражения:

Для сравнения можем построить кривую распределения Р после загонки, пользуясь выражением

Если построить эти профили, то получим зависимости, изображенные на рис 1.1, и следующие данные

x₁=1мкм= 1•10^-4см; С_х1 = 2.31•10^-19;

х₃=2 мкм = 2•10^-4см; С_х2 = 1.69•10^-19;

х_э=3 мкм = 3•10^-4 см; С_х3 = 2,19•10^-19;

Рис. 1.1. Профили распределения фосфора в Si после двухстадийной диффузии.

6. Определим глубину залегания p-n-перехода после проведения разгонки по формулам

С_В - концентрация примеси в исходной пластине. Ее можно найти из графика р = f(C) (рис. 1.5). Для р_р = 1 0 Ом • см получаем

С= 1.2 • 10^-15 см³.

Поставляем найденные значения в выражение для xj:

По упрощенной формуле имеем

Расчет распределения примеси при диффузии из слоя конечной толщины

В предыдущем случае выполнялось условие ^v D,t,<D₂t₂ (1.5- 10"<2.88- 10⁹),

т.е. форма профиля на стадии загонки не влияет на профиль после разгонки, т.к. их глубины залегания несопоставимны. Если условие D₁t₁ < D₂t₂ не выполняется, то глубины диффузии при загонке и разгонке сопоставимы и нельзя считать, что диффузия при разгонке идет из бесконечно тонкого слоя с ограниченным содержанием примеси. В этом случае получается комбинированное распределение, определяемое решением уравнения Фика для диффузии из слоя конечной толщины

у - переменная интегрирования; а и z -табличные параметры

Поверхностная концентрация после разгонки С₀₂ = С (x=0,t₁,t₂). Или

Интеграл в выражении (12) вычислен и табулирован для различных α и z.

Пример 2: Рассчитать распределение примени для двухстадийной диффузии Р в Si в режиме:

Т₁ = 1250°С; t₁ = 10мин;

Т₂=1150°С; t₂ = 2ч.

Определить глубину залегания p-n-перехода. Решение:

1. Из графика D = f(T) (см.рис.1.4) определим коэффициент диффузии Р при данных температурах:

D₁ = 4 • 10^-12 см²/с;

D₂ = 4 • 10^-13 см²/с.

2. Сравним D₁t₁ и D₂t₂:

D₁t₁, = 4 • 10^-12 •10 • 60 = 2.4 • 10^-19;

D₂t₂ = 4 • 10^-13 • 2 • 60 • 60 = 2.88 • 10^-19, т.к. они близки, необходимо использовать формулу (12).

3. Определим постоянные а и г по формулам (13)

4. Определим поверхностную концентрацию после разгонки по кривой С = f(Т) (см.рис.1.3) (соответствует предельной растворимости Р при данной температуре) при Т₁ = 1250 °С

С₀₁ = 1.2 • 10²¹ см^-3.

5. Определим поверхностную концентрацию после разгонки С₀₂:

б. Можем построить распределение концентрации по глубине, используя таблицу расчетных значений а и г.

Задавая значения г = 0.1 - 0.3 - 0.5 и т.д. для α = 0/9, определяем значение интеграла в формуле (12).

Из графика можем найти глубину х:

7. На стадии загонки распределение примеси имеет вид (5)

Если построить распределение концентрации Р, после загонки и разгонки получим следующие зависимости (рис. 1.2)

Рис. 1.2. Профили распределения Р в Si в примере 2.

Пример 3. Переход эмиттер-база формируется диффузией фосфора в подложку p-типа в течение t = 1 ч при Т = 1000 °С; концентрация атомов Р на поверхности Si поддерживается на пределе растворимости в твердом состоянии. Предполагая, что концентрация примеси в базе равна концентрации примеси p-типа в исходном материале (или 10^|7 см^-3), найти глубину перехода эмиттер-база.

Решение.

I вариант

Имеем диффузию из неограниченного источника, т.е. используем формулу (5)

Зная температуру диффузии Т = 1000 °С, находим С_о и D из графиков С = f(T) и D=f(T) D = 3 • 10^-14 см^-3 (рис 1.3-1.4):

C₀ = 10²¹ см^-3;

D = 3 • 10^-14 см^-3;

Тогда

Из графика функции erfc (рис. 1.6) находим для значения 10"*

II вариант

Используем формулу (4):

Или по уточненной формуле (7)

Рис.1.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в Si oт температуры.

Рис. 1.4. Графики для функции erfc и нормального закона распределения.

Рис. 1.5. Зависимость коэффициента диффузии примесей в Si от температуры.

Рис. 1.6. Зависимость удельного сопротивления Si от концентрации примеси.

Практическое занятие N2.

Определение технологических режимов процесса диффузии.

Второй класс задач связан с расчетом технологических режимов первой и второй стадии диффузии или второй стадии диффузии ("разгонка") после ионной имплантации. Последняя наиболее актуальна при изготовлении современных изделий ЭОТ последних поколений.

На первом занятии рассматривались так называемые прямые задачи, т.е. определение параметров диффузионного слоя при заданных режимах диффузии (распределение примеси (профиль диффузии) C(x,t) и глубины залегания p-n-перехода (xj). Рассмотрим так называемые обратные задачи, т.е. определение режимов диффузии при заданных параметрах диффузионного слоя.

Эти задачи имеют большое практическое значение, но эта связь с практикой придает им специфику - они неоднозначны в отношении выбора длительности и температуры процесса. Выбор этих параметров определяют конкретные особенности технологического процесса и возможности технологического оборудования.

Строгое решение обратных задач приводит к определению произведения D•t. Далее чаще всего задаются температурой Т и по найденному значению D определяют длительность процесса t. Иногда при выборе режимов следует учитывать не только температурную зависимость коэффициента диффузии, но и предельную растворимость примеси.