- •Физико-химические основы технологии электронных средств
- •Раздел 1. Химическая термодинамика
- •Введение
- •Внутренняя энергия. Как уже отмечалось уравнением ( ), внутренняя энергия является характеристической функцией при независимых переменных V и s, т. Е.
- •Энтальпия. Энтальпия является характеристической функцией при независимых переменных р и s, т. Е.
- •Раздел 2. Технологические процессы
- •1. Эпитаксия кремния Введение
- •1.1. Хлоридный метод
- •1.1.2.Кинетика и микромеханизм кристаллизации азс
- •1.1.3. Температурная зависимость скорости роста. Механизм хлоридного процесса.
- •1.1.4 Взаимосвязь условий формирования эпитаксиальных слоев и их структурных параметров.
- •1.2. Гидридный метод
- •1.2.1. Термодинамический анализ пиролиза силана.
- •1.2.2. Кинетика и микромеханизм кристаллизации аэс при пиролизе силана
- •1.2.3. Гетероэпитаксия кремния на сапфире
- •2.3. Диффузия из конечного ( ограниченного ) источника.
- •2.4. Методы осуществления диффузии.
- •2.5. Создание диодных структур.
- •2.6. Распределение примесей в транзисторной структуре.
- •3. Ионное легирование
- •3.1. Теоретические сведения
- •3.2. Распределение концентрации примеси в слое.
- •3.3. Образование радиационных деффектов.
- •3.4. Отжиг легированных структур.
- •3.5. Формирование диодных и транзисторных структур.
- •3.6. Оборудование для ионного легирования.
- •3.7. Преимущества и недостатки ионного легирования
- •4. Метализация
- •4.2. Конденсация.
- •4.3. Влияние температуры и пересыщения на скорость роста пленки
- •Исходные данные для расчетов при металлизации по кремнию
- •4.4. Установка для металлизации.
- •5. Формирование химических источников тока
- •5.1. Теоретические предпосылки
- •5.2. Термодинамика гальванического элемента.
- •5.3. Температурная зависимость э.Д.С.
- •5.4. Зависимость э.Д.С. От концентрации электролитов
- •Литература
1.2. Гидридный метод
Гидридный метод основан на пиролизе моносилана, который происходит по схеме
SiH4(g) <==> Si(s) + 2H2(g)
С позиций потенциальных технических возможностей гидридный (силановыый) метод является наиболее перспективным.Этот метод привлекателен тем, что эпитаксия протекает при более низкой температуре, чем в хлоридном процессе, что обеспечивает болеее резкий профиль распределения примесей на границе раздела АЭС - подложка.
1.2.1. Термодинамический анализ пиролиза силана.
Энтальпия образования SiH4, согласно справочным данным, равна 34,73кДж/моль, а энтропия Si(S) и Н2, как простых веществ, по определеию равняется нулю. Таким образом, энтальпия реакции равна минус 34,73 кДж/моль. Энтропия реакции равна разности энтропии продуктов реакции и исходного вещества
ΔS2980 = 45,2 + 2 •130,52 - 204,56 = 101,68 Дж/моль
Константа равновесия lg k = 5,3 + 1818,3/Т равняется 1011,3атм. при комнатной температуре и 106,6 атм. при 1100С0, т.е. во всем диапазоне температур равновесие смещено в сторону разложения моносилана. Гомогенное разложение последнего происходит, начиная с 400С0, и характеризуется энергией активации 200 кДж/моль. Следствием этого является высокая реакционная способность силана, в частности, способность самовоспламеняться на воздухе вследствие реакции атомарного водорода, вышедшего при разложении, с кислородом. Поэтому силан необходимо хранить в баллонах и вводить в камеру реакции сильно разбавленным водородом, или аргоном менее 5%, который должен быть тщательно очищен от кислорода и паров влаги. Водород также смещает равновесие реакции влево (в случае его избытка), что предотвращает протекание реакции в газовой фазе, которая ведет к потере кремния и к ухудшению качества эпитаксиальной пленки. Гетерогенный характер реакции обеспечивает также выделение тепла на поверхности эпитаксиальной пленки в результате образования кристалла из одноатомного пара(452,2 кДж/моль ) , что в значительной мере увеличивает скорость реакции именно на поверхности эпитаксиальной пленки.
Представляется удивительным, что реакция разложения моносилана является экзотермической, т.к. на разрыв химических связей кремния с водородом требуется значительная энергия, т.е. казалось бы она должна протекать с поглощением тепла. Однако, процесс разложения моносилана сопровождается выделением энергии при образовании монокристалла из одноатомного пара кремния и молекул водорода из атомов. Выделившаяся энергия при разложении одного моля моносилана равна:
452,2(Si) + 2 •431,9(Н ) = 1316 кДж/моль.
Так как тепловой эффект реакции -ΔН2980 = 34,7 кДж/моль, то химическая энергия SiH4( взятая с обратным знаком энергия атомизации ) равняется 1281,3 кДж/моль, а энергия отрыва одного атома водорода от моносилана в среднем равняется 320 кДж/моль ( 3,3 эВ на одну Si-H связь ), что несколько ниже энергии разрыва Si-Cl связи, равной 385 кДж/моль. Поэтому энергетический порог реакции при разложении моносилана несколько ниже, чем при хлоридном методе эпитаксии, что позволяет проводить процесс при более низкой температуре. Это обстоятельство является весьма существенным, так как коэффициенты диффузии большинства примесей из подложки в растущую пленку, загрязняющих последнюю, уменьшаются на 2-3 порядка при снижении температуры на 250-300 С.
Таким образом, термодинамический анализ показывает, что данный процесс можно производить практически при любой температуре, так как равновесие реакции всегда смещено вправо.