книги из ГПНТБ / Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие

распределения менее единицы), движутся вместе с расплавленной воной, концентрируются в ней и уносятся в направлении ее движе­ ния. В результате нескольких рабочих проходов индукторов (спра­ ва налево) можно получить слиток, количество примесей в котором ■будет резко уменьшено в правой части и увеличено в левой.

ке индукто,р перемещают сверху вниз, при­ чем скорость регулируется. Холостой ход (снизу вверх) совершает­ ся быстро. Плавлению подвергается лишь узкая область 4 слитка..

Так как кремний имеет довольно высокое поверхностное натя­ жение, жидкая зона удерживается между твердыми зонами, не растекаясь. После многократных проходов индуктора примеси концентрируются в нижней части слитка, которую затем отрезают. Для лучшего перемещения расплава верхнюю и нижнюю части слитка можно вращать в разные стороны.

Для удаления бора ( К ~ \) зонную плавку кремния ведут во влажном водороде.

Достоинством метода является его чистота, обусловленная от­ сутствием тигля или лодочки, .а основным недостатком — малая производительность процесса. Этим методом получают кремний с удельным сопротивлением до 1000 Омсм.

20

§ 8. Выращивание монокристаллов полупроводников

Для изготовления полупроводниковых приборов необходимы монокристаллический германий или кремний. Поликристаллические материалы для этого непригодны, так как они имеют несовершен-

21 '

ную структуру и отличаются неоднородным распределением при­ месей.

Основной способ получения монокристаллов германия и крем­ ния— вытягивание (выращивание) их из расплава по методу Чохральского (рис. 6). Процесс ведут под колпаком 7, который поко­ ится на плите 8, в вакууме или атмосфере аргона, гелия, азота или водорода. Исходный материал помещают в графитовый тигель 5, подставку 6 которого надевают на нижний шток 9 установки. Плавление происходит при помощи специального нагревателя 3, питаемого через токовводы 10. В некоторых случаях для нагрева тигля используют индукционный нагрев токами высокой частоты

(рис. 7).

Пространство, прилегающее к тиглю, закрыто нижними, боко­ выми 11 и верхними 12 экранами. Сверху в тигель вводят второй шток 13 с патроном 1 для зажима затравки 2. Оба штока могут вращаться вокруг оси, а верхний, кроме того, ходит вверх и вниз, причем скорость его перемещения можно регулировать.

Для получения монокристалла затравку 2 сначала опускают в расплав, а затем начинают медленно вытягивать из него. Затравка играет роль центра, с которого начинается формирование моно­ кристалла 4, причем для равномерного роста монокристалла за­ травку и тигель вращают в разные стороны.

Одновременно при вытягивании происходит дополнительная очистка материала за счет направленной кристаллизации. При этом можно получить, например, германий с содержанием приме­ сей не более 1013 атомов в 1 см3.

Чтобы придать полупроводнику тот или иной тип проводимости, его легируют соответствующими примесями.

В процессе выращивания монокристаллов можно одновременно получать электронно-дырочные переходы. Так, если в расплав-га­ тила в определенный момент ввести примесь р-типа, получится слиток с электронно-дырочным переходом. После соответствующей обработки из него можно изготовить кристаллы с диодными струк­ турами. Многократным легированием удается получать транзистор­ ные структуры.

Вводя в расплав определенное количество легирующих добавок различного типа и вытягивая или вращая монокристалл с перемен­ ной скоростью, также получают области о различным типом про­ водимости. Это обусловлено зависимостью коэффициентов распре­ деления примесей от условий кристаллизации.

§ 9. Параметры и марки полупроводниковых материалов

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют материалы с определенными электрофизическими параметрами. В первую очередь к ним относятся тип проводимости, удельное со­ противление, диффузионная длина неосновных носителей и плот­ ность дислокаций.

22

проводимости определяется наличием тех или иных примесей. Так, при легировании германия и кремния элементами третьей группы периодической системы Д. И. Менделеева (например, бором, алю­ минием и др.) получают дырочный материал, а при легировании

ники разделяют на высокоомные (сотни Ом-см) и низкоомные (со­ тые и тысячные доли Ом-см).

Д и ф ф у з и о н н а я д л и н а —это путь, который проходят носи­ тели заряда (электроны или дырки) за время жизни, т. е. до мо­ мента рекомбинации. В зависимости от типа полупроводникового прибора диффузионная длина (или время жизни носителей заряда) может быть различной. Значение диффузионной длины обычно ко­ леблется в пределах от нескольких десятых миллиметра до не­ скольких миллиметров.

П л о т н о с т ь д и с л о к а ц и й — это количество нарушений кристаллической решетки, приходящееся на 1 см2 полупроводника. Дислокации оказывают существенное влияние на технологические процессы изготовления приборов, в частности, на сплавление и диффузию. В настоящее время применяют полупроводники с плот­ ностью дислокаций от 2 • 103 до 5 • 104 см-2.

Рассмотренные параметры характеризуют качество полупро­ водникового материала и обычно указываются в его маркировке.

Согласно ЦМТУ 05—103—68 германий делят на восемь групп

разброс удельного сопротивления, и цифровой индекс, указываю­ щий плотность дислокаций.

Например, марку ГДГ—0,75 группа 1.Г-2 расшифровывают так: Г —германий; Д —дырочной проводимости; Г — легированный галием; номинальное удельное сопротивление 0,75 Ом-см; группа I, что соответствует пределам удельного сопротивления 0,1— 6,0 Ом-см; Г — индекс группы, показывающий допустимый разброс по удельному сопротивлению (в данном случае ±15%'); 2 — группа плотности дислокаций (в данном случае меньше 2-104 см-2).

В маркировке кремния, согласно ЦМТУ 05—104—68, указыва­ ется также метод изготовления монокристаллов (по Чохральскому или бестигельной зонной плавкой). В маркировке кремния, полу­ ченного бестигельным методом, перед буквой К (кремний) ставят букву Б, а затем идут буквы, обозначающие тип проводимости и легирующие элементы. Числитель дроби указывает номинал удель­ ного сопротивления, а знаменатель —диффузионную длину (для

23

гРУпп 1А, 1Б, 2А и 2Б) или время жизни носителей заряда (для группы 5А). Для групп 2В, 2Г, 2Д и 2Е ссылок на легирующие элементы и электрические параметры не дают.

Например кремний марки КЭФ-4,5/01 группа 1Бв расшифровы­ вается, так: К — кремний, Э —электронной проводимости; Ф — ле­

§ 10. Газы, применяемые для термических процессов

Основные процессы изготовления полупроводниковых приборов должны выполняться в особо чистой атмосфере (водорода, азота, аргона или их смесей). Газовая среда может быть восстановитель­ ной (на основе водорода) или нейтральной (инертные газы и азот). Особенно широко используют водород. Заменяют водород други­ ми газами лишь в тех случаях, когда он оказывает вредное воз­ действие на обрабатываемые материалы или в случае взрыво­ опасности. При работе с титаном, карбидом кремния и некоторы­ ми другими материалами не разрешается применять азот.

На качество полупроводниковых приборов вредное влияние оказывают в основном такие примеси в водороде, аргоне и азоте, как кислород и пары воды. Чем ниже содержание влаги в газе, тем" труднее ее сконденсировать. Температуру, при которой начинается конденсация примесей влаги, называют температурой точки росы

Газы, очищенные от влаги и кислорода, обеспечивают безокислительныи нагрев во всех технологических процессах производства

Ш Ж ОДо Т В^ приборов, к таким газам относятся: водород по горГу 3022—61 марки А, азот по ГОСТу 9293—59 сорт 1, аргон

чистый по ТДМХП 4315—54. При дополнительной очистке содер­

жание кислорода в них понижается до 2 -10~4 объемных процентов, а паров воды —до 2,8 мг/м3 (точка росы —70°С).

Водород получают электролизом водопроводной воды Качест­ во воды в течение года изменяется. Особенно это заметно весной когда увеличивается масса стоков. Для очистки на водопроводных станциях к воде добавляют в этот период большое количество хи­ мических веществ. По-видимому, это вызывает ухудшение свойств водорода несмотря на неизменное содержание в нем влаги и кис­ лорода, что отрицательно влияет на производственный процесс: происходит окисление электродных сплавов и кристаллов.

Магистральное давление газов должно составлять 1,5—2 ат. Чтобы избежать попадания водорода в азот, давление азота всег­ да должно быть несколько больше (на 0,5 ат). Газовые системы должны быть герметичными. Допустимый спад давления в системе

24

должен составлять не более 10% в час. При проверке вакуумной плотности газовой магистрали натекание не должно превышать для систем производительностью до 3 м3/ч 1 мкм • л/с, а до 25 м3/ч — 10 мкм -л/с.

Трубопроводы, предназначенные для подачи очищенных газов, должны быть выполнены из нержавеющей стали. Для удаления машинного масла, эмульсии и других веществ их промывают бензином марки «галоша» или ацетоном, а затем тщательно про­ сушивают. При работе с чистыми газами следует использовать только ваккумноплотную арматуру и вакуумные сильфонные или

.мембранные вентили. В местах потребления газа допускается при­ менение трубок из красной меди или фторопластовых шлангов.

Рис. 8. Установка для очистки газов от влаги и кислорода:

1 — измеритель расхода газа, 2 —баллов с водородом, 3 ~ очиститель с палладированным алюмогелем, 4 —холодильник, 5 —осушители

Схема газоочистительной установки показана на рис. 8.

При работе с азотом и инертными газами к ним добавляют по объему 3%! водорода, что необходимо для связывания кислорода. Дозируют водород специальным регулятором. Для взаимодействия кислорода с водородом применяют катализатор — палладированный алюмогель. В результате реакции образуется влага, которую необходимо удалять. Часовая скорость газового потока не должна превышать 2500 объемов на один объем алюмогеля при темпера­ туре 20—300° С. После этого газ охлаждают в водяном холодиль­ нике до температуры не выше 15° С.

Удаляют влагу в двух поочередно переключаемых колонках с адсорбентом: когда одна из них работает, другая подвергается регенерации. В качестве адсорбента применяют силикагель № 6 (или КСМ), а также цеолиты. После очистки и осушки содержание кислорода в этих газах не должно превышать 2 -10-4% при точке росы —70° С.

Регенерацию адсорбента производят азотом или воздухом, не содержащим масляных паров. Температура продувки силикаге-

25

ля 130—200 С, а цеолитов — 350—400° С. Регенерацию считают оконченной, если при внесении в поток отходящего газа медного

хромированного зеркала на нем не осаждается влага (при комнат­ ной температуре).

На рис. 9 показана установка ЖК 30.01 для очистки водорода. При производительности 3 м3/ч установка обеспечивает содержа­

ние кислорода не более Г-10“4 объемных процента и влаги не выше 10 мг/м3 при точке росы —60° С.

Рис. 9. Установка для очистки водорода

Контролируют газы на содержание влаги газоанализатором непрерывного действия (рис. 10, а), который можно подключать к

самопишущему прибору, например к автоматическому электрон“ ному потенциометру. * р н

Действие газоанализатора основано на электрохимической ре­ акции поглощения паров воды фосфорным ангидридом с после­ дующим их электролизом. Образующиеся при этом водород и кис­ лород уносятся потоком анализируемого газа, а фосфорный ангид­ рид может вновь вступать в реакцию. Согласно закону Фарадея ток электролиза прямо пропорционален количеству связанной в единицу времени влаги, а следовательно, при постоянном расходе

26

Для проверки газов на содержание кислорода используют газо­ анализаторы другого типа (рис. 10, б), действие которых основано на термохимической реакции — дожигании кислорода на палладие­ вом катализаторе, что вызывает повышение температуры газовой смеси, измеряемой полупроводниковой термопарой, соединенной

савтоматическим электронным потенциометром.

Винертные газы и азот при контроле на содержание кислорода необходимо добавлять предварительно очищенный водород (около

3 объемных процентов).

Контрольные вопросы

1.Каковы основные свойства германия и кремния?

2.Какие методы очистки полупроводниковых материалов вы знаете?

3.На чем основаны химические и физические методы очистки полупроводни­

ковых материалов?

4.Как выполняют зонную плавку германия и кремния?

5.Каков принцип выращивания монокристаллов?

6.Как маркируют полупроводниковые материалы?

7.Какие способы очистки газов от примесей кислорода, и паров воды вы

знаете?

Г Л А В А ТРЕТЬЯ

ВАКУУМНО-ТЕРМИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ СПЛАВЛЕНИЕМ

§ 11. Сведения о процессе сплавления

Создание электронно-дырочных переходов сплавлением — наи­ более простой и распространенный метод изготовления большин­ ства германиевых и кремниевых диодов и транзисторов. Достоин­ ством этого метода является сравнительно простой технологиче­ ский процесс, не требующий дорогостоящего оборудования, а недостатками — большой разброс параметров приборов и их огра­ ниченный частотный диапазон.

Процесс сплавления заключается в том, что в полупроводнике данного типа проводимости создается область противоположного типа проводимости. Для этого в поверхность исходного кристалла вплавляют какой-либо элемент III и V группы периодической си­ стемы Д. И. Менделеева. Элементы III группы, такие как индий, алюминий, галлий, бор, являются акцепторами и при сплавлении с электронным полупроводником образуют область с дырочным типом проводимости. Элементы V группы (сурьма, мышьяк, фос­ фор и висмут) являются донорами и при сплавлении с дырочным полупроводником создают участок с электронным типом проводи­ мости.

Процесс сплавления обычно рассматривают на примере вплавления индия, создающего область p-типа проводимости в германии n-типа. При нагревании германиевой пластины с находящимся на

28

ней кусочком индия индий начинает плавиться и растворять гер­ маний, пока не наступает насыщение, отвечающее данной темпе­ ратуре. Во время охлаждения германий, выпадая из расплава, наращивается на кристаллическую решетку твердой части пласти­ ны, увлекая с собой акцепторную примесь. В результате возникает электронно-дырочный р-я-переход (рис. 11). Высокая концентрация индия в области p-типа электронно-дырочного перехода понижает удельное сопротивление перехода, что весьма важно для работы полупроводниковых приборов.

Для сплавления можно исполь­ зовать не только чистые эле­ менты III и V групп таблицы Д. И. Менделеева, но и их

сплавы.

На рис. 12, а показан разрез германиевого, а на рис. 12, б — кремниевого сплавных транзисто­ ров.

результате этого образуются эмиттерная и коллекторная области 5 прибора, имеющие дырочный тип проводимости. Между ними на­ ходится базовая область 4, сохраняющая проводимость исходного германия. Такой транзистор имеет р-п-р структуру.

Кремниевый сплавной транзистор по конструкции значительно сложнее. С кристаллом 2 электронного кремния в нем сплавлены эмиттерные и коллекторные электроды 7 и 9 из алюминия, которые образуют соответственно эмиттерную и коллекторную области 5 р-типа. Базовый электрод 8, выполненный в виде кольца, создается сплавлением с кремниевым кристаллом навески из сплава сви­ нец— мышьяк — никель, причем тип проводимости исходного крем­ ния не меняется и транзистор также имеет р-п-р структуру. Для

2®