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

ваются (экспонируются) с помощью ртутно-кварцевой лампы, что позволяет удалить фоторезист с незасвеченных участков обработ­ кой пластины в парах трихлорэтилена (проявление). Отсутствие фо­ торезиста обеспечивает, в свою очередь, возможность локального травления с этих участков окисной пленки (там, где сохранился засвеченный фоторезист, травление не происходит). Оставшийся фоторезист снимают с поверхности пластины, в результате на ней образуются базовые окна в соответствии с конфигурацией, количе­ ством и размерами их на фотошаблоне (рис. 41, г).

Затем пластину подвергают диффузионной обработке в парах соединений галлия (рис. 41, д), причем участки, защищенные плен­ кой двуокиси кремния, оказываются непроницаемыми для галлия, диффузия идет только через окна в пленке и в результате образу­ ются базовые области, имеющие дырочную проводимость.

Чтобы получить эмиттерные области, некоторые операции пов­ торяют. Так, на пластину вновь осаждают пленку двуокиси крем­ ния (рис. 41, е), наносят фоторезист, укладывают фотошаблон, эк­ спонируют, удаляют незасвеченный фоторезист и стравливают не­ защищенный окисный слой, создавая эмиттерные окна. Следует отметить, что для получения эмиттерных окон применяют другие фотошаблоны, чем обеспечивается нужное расположение эмиттера относительно базовой области.

Далее проводят локальную диффузию мышьяка (рис. 41, ж) в участки /7-германия (остальная поверхность пластины здесь защи­ щена двуокислом), в результате чего образуются эмиттеры из электронного германия (п—р—л-структуры). Коллекторной обла­

связанные с базовой областью и эмиттером каждой структуры, на­

щенные слоем двуокиси кремния.

Сборочные операции включают пайку кристаллов с переходами на ножки, подсоединение электродных выводов и герметизацию корпусов (рис. 41, м).

Дальнейшим развитием планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов явилось использование эпитаксиаль­ ных структур, что позволило сократить производственный цикл и значительно улучшить характеристики дриборов. Планарные при­ боры, изготовленные на основе эпитаксиальных структур, получили название планарно-эпитаксиальных.

Рассмотрим основные технологические операции изготовления планарно-эпитаксиального кремниевого сверхвысокочастотного транзистора (рис. 42). Исходным материалом для изготовления прибора служит пластина с эпитаксиальным слоем кремния

п-—«+-типа (рис. 42, а).

70

Поверх эпитаксиальной пленки выращивают слой двуокиси кремния и с помощью процессов фотолитографии и травления соз­ дают в нем базовые окна (рис. 42, б). Сквозь базовые окна прово­ дят локальную диффузию бора (рис. 42, в), в результате чего об­ разуются базовые р-области структуры. Одновременно с диффузи­ ей идет вторичное окисление кремния.

Таким же способом получают эмиттерные окна (рис. 42, г), сквозь которые проводят локальную диффузию фосфора (эмиттер­ ные области имеют, следовательно, электронную проводимость —

Рис. 42. Технология изготовления планарно-эпитаксиального крем­ ниевого сверхвысокочастотного транзистора:

рис. 42, д). Затем после очередного окисления и фотолитографиро­ вания создают окна для невыпрямляющих контактов к эмиттеру и базе (рис. 42, е), в которые напыляют, а затем вплавляют алюми­ ний. Лишний алюминий с поверхности окисла удаляют также фо­ толитографией и травлением (рис. 42, ж).

Таким образом, получают транзисторы п—р—п—п+-типа, кол­ лекторной областью которых является исходный эпитаксиальный

п—п+-слой (рис. 42, з ).

§ 26. Оборудование для процессов диффузии и окисления

Для получения полупроводниковых приборов с воспроизводи­ мыми и стабильными параметрами необходимо, чтобы в диффузи­ онных и окислительных установках поддерживалась заданная тем­

71

пература с высокой степенью точности, в том числе по всей рабо­ чей длине канала печи и в течение длительного времени.

В современном оборудовании температура выдерживается с точностью ±0,5° С при длине рабочего канала 300—400 мм, чему способствуют автоматические системы терморегулирования.

Диффузию проводят в одно-, двух- и многозонных установках. Промышленностью выпускаются однозонные установки СДО—125/4 с четырьмя рабочими каналами и двухзонные однока­ нальные установки СДД—13А, созданные на базе унифицирован­ ных элементов. Ознакомившись с одной из них, легко разобраться в устройстве других. -

Рис. 43. Однозонная термическая установка СДО-125/4:

/ —камера нагрева, 2 — рабочие каналы, 3 — основание, 4 — приборы автоматической системы регулирования тем­ пературы, 5 — домкратный винт, б —линейка с фикса­ торами

Установка СДО—125/4 (рис. 43), предназначенная для прове­ дения диффузионных процессов в диапазоне температур от 500 до 1250° С, имеет рабочие каналы 2 — трубы из высокоглиноземистой керамики или кварца с внутренним диаметром 70 мм и состоит из двух частей: унифицированного основания 3 и камеры нагрева 1. Основание служит для размещения четырехтрубной печи и систем автоматического регулирования температуры. Каждая система включает регулятор 4 (РЕПИД-1), силовой блок питания, компен­ сатор температуры холодного спая термопары и другие элементы. Основание изготовлено из стального профиля и с трех сторон за­ крыто съемными декоративными панелями, имеющими жалюзи, а с четвертой — приборным щитком. В рабочем состоянии установка опирается на домкратные винты 5. Регуляторы температуры РЕПИД-1 смонтированы на выдвижных шасси, что облегчает их обслуживание.

72

Каждая нагревательная камера состоит из цилиндрической тру­ бы с нагревательным элементом и теплоизоляцией, каркаса,, осно­ вания с направляющими, боковых и торцовых крышек. Вводы тер­ мопар расположены сбоку. Витки нагревательного элемента спи­ рального типа из проволоки ОХ27Ю5А диаметром 5 мм разделены керамическими изоляторами.

В установке применена независимая трехканальная система ре­ гулирования температуры (рис. 44). Каналы регулирования оди­ наковы. В качестве примера рассмотрим работу одного из них.

Рис. 44. Схема автоматической системы регулирова­ ния и поддержания температуры на заданном уров­ не в термической установке:

При нагреве центральной секции 1 установки термопара 2 вы­ рабатывает сигнал, сначала проходящий через устройство 3 для компенсации температуры ее холодных концов. Далее термо-э.д.с.. поступает в блок 4 задания температуры, где формируется сигнал рассогласования (между действительным значением регулируемой величины и заданным напряжением), который через усилитель 5 постоянного тока подается в функциональный преобразователь 6У где в зависимости от объекта регулирования, к нему применяется тот или иной закон управления (пропорциональный, пропорцио­ нально-интегральный и т. п.). Затем сигнал поступает в блок тири­ сторов 7, которые управляют включением и отключением блока питания 8 нагревательных элементов. При выходе температуры из. допустимых пределов включается цепь сигнализации.

Технические характеристики установок СДО-125/2А и СДО-125/4А приведены ниже:

73

Несмотря на автоматическое регулирование установки, перед каждым очередным процессом контролируют как температуру, так и положение зон одинаковой температуры, пользуясь контрольной термопарой и потенциометром, постоянного тока ПП-63. Это необхо­ димо делать во избежание случайного брака, ущерб от которого может исчисляться сотнями и даже тысячами рублей.

Для проверки температуры по длине рабочего канала на кон­ трольной термопаре должны быть нанесены соответствующие деле­ ния. Вводя термопару в рабочий канал на небольшую длину, вы­ полняют первый замер температуры. Затем, продвигая термопару, устанавливают распределение температуры по длине кана'ла. Нача­ ло и конец требуемой зоны отмечают на стержне термопары и фик­ сируют по наружной линейке с движками, расположенной вдоль нагревательной камеры. Если обнаружится, что температура не соответствует заданной, ее необходимо отрегулировать задатчиком. Затем контрольные измерения повторяют. Все измерения выполня­ ют только при установившемся режиме работы установки.

Термические установки такого типа оборудуют газовыми сис­ темами, обеспечивающими процессы окисления и легирования полу­ проводника. Одна из таких систем показана на рис. 45.

Для окисления пластин во влажном кислороде кислород направ­ ляют через ротаметр 6 в увлажнитель 7 с дистиллированной водой, подогреваемой электроплиткой 8. Обогащенный парами воды кисло­ род поступает в рабочий канал 2 установки 1. Температура воды в увлажнителе поддерживается автоматически.

При одновременных процессах диффузии и окисления кислород направляют в установку прямо через питатель 5 с жидким диффузантом.

74

1

А г,Н2 02

Рис. 45. Газовая система термической установки:

/ — термическая установка, .2 —рабочий канал, 3 —лодочка с пласти­ нами, 4 — вентили, 5 — питатель с жидким диффузантом, 6 — ротамет­ ры, 7 —увлажнитель, 8 —электроплитка, 9 — газоочиститель, 10 — пита­ тель с этилсиликатом

Рис. 46. Термическая установка лучистого нагрева «Изоприн»

Нанесение пленки двуокиси кремния на пластины германия ме­ тодом пиролитического разложения можно проводить пропусканием аргона через питатель 10 с этилсиликатом.

Для проведения процессов диффузии и окисления технологиче­ ские газы должны быть очищены от паров воды и кислорода в газо­ очистителе 9.

При термической обработке полупроводниковые пластины 3 закладывают в специальные лодочки из кремния или кварца, кото­ рые представляют собой блоки с пазами для размещения пластин. Чтобы обеспечить лучшую устойчивость, с нижней стороны пластин срезают сегменты.

Совсем недавно в полупроводниковом производстве начали применять установки лучистого нагрева с трубчатыми инфракрас­ ными излучениями, которые отличаются меньшими по сравнению с установками СДО-125 габаритами и инерционностью нагрева и быстро входят в рабочий режим. Специальные приставки к базовой модели позволяют их использовать для проведения всех основных термических процессов. Очевидно, эти установки в дальнейшем най­ дут широкое применение. Техническая характеристика одной из них («Изоприн») приведена ниже:

одноканальную установку ЖКМЗ 017.002 (рис. 47, а) с максималь­ ной температурой нагрева 950° С. Установка снабжена автоматиче­ скими системами регулирования температуры и охлаждения.

Нагревательная камера 4 имеет металлический каркас, футеро­ ванный внутри теплоизоляционным материалом, и нагревательный элемент, который представляет собой трехсекционную спираль из сплава ОХ27Ю5А. Четыре шины спирали выведены на одну сторо­ ну нагревательного элемента.

В центральной части камеры проходит кварцевая труба 2 — ра­ бочий канал, которая опирается на стойки; торцы трубы уплотняют­ ся затворами 1 и 5: с одной стороны в нее подают газ, а с другой —

служат термопары 6—12, две из которых 9 и 10 (ТППР) расположе­ ны в центральной секции, две 8 и 11 — в крайних, еще две 7 я 12 (ТПП) выполняют роль датчиков защиты установки от перегрева и, наконец, одна 6 (ТХА) установлена в рабочем канале и работает на высокочувствительный прибор регистрации температуры.

76

Г Л А В А ПЯТ А Я

ВАКУУМНО-ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ ПО ЭЛИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

§ 27. Сведения об элионной технологии

Элиониая (электронно-ионная) технология производства полу­ проводниковых приборов основана на использовании направленного переноса энергии электронными, а вещества — ионными пучками (лучами). При элионном изготовлении электронно-дырочных пере­ ходов ионные пучки служат для легирования полупроводников, а энергия электронных пучков — для процессов сплавления.

И о н н о е л е г и р о в а н и е по сравнению с диффузионным обладает следующими достоинствами:

использование пучка заряженных частиц (ионов) позволяет уп­ равлять технологическими операциями с помощью электрических и магнитных полей;

ионной бомбардировкой удается легировать полупроводник та­ кими примесями, которые нельзя ввести другими способами;

получаемые концентрации примесей могут значительно превы­ шать предел их растворимости в равновесных условиях;

отжиг полупроводников можно производить при температурах более низких, чем диффузия или сплавление;

область легирования ионами четко определяется краем миски, в то время как при обычной диффузии примесь частично проникает

под маску.

Э л е к т р о н н о л у ч е в у ю о б р а б о т к у используют для сварки, испарения, плавки, сверления и фрезерования, а также для сплавления легирующих и контактных материалов с полупроводни­ ками и герметизации корпусов приборов. В этих случаях применяют лучи с высокой плотностью энергии, т. е. проводят термические

процессы.

Нетермические процессы электроннолучевой обработки исполь­ зуют при анализе и контроле различных изделий, например^ в электронной микроскопии. Электронный луч, легко поддающийся управлению, можно быстро и точно перемещать в пространстве, а также изменять его интенсивность во времени. Причем в микроско­ пический объем может быть передано большое количество энергии, например, с удельной поверхностной мощностью 10 Вт/см . Кроме того, энергию электронов можно выделить в тонком слое материала.

На рис. 48 показан разрез транзисторной структуры р —п — р, полученной при помощи электронного луча. На кремниевом кристал­ ле (пластине) р-типа проводимости двойным локальным легиро­ ванием фосфором при помощи электронного луча создана базовая область 2 электронного типа проводимости. Эмиттерная область дырочного типа проводимости также создана при помощи электрон­ ного луча последовательным локальным легированием бором. Эмит-

79