4.3.Системи критеріїв оцінки якості напівпровідникових матеріалів і структур
Для оцінки якості напівпровідникових матеріалів і структур, як і будь-якого іншого виду продукції, застосовується сукупність тих або інших критеріїв і методик, тобто певна система. Від повноти цієї системи і значущості що входять в неї критеріїв по суті залежить кінцевий результат, а саме – показники якості, технологічності і функціонування що виготовляються на їх основі приладів і ІС.
Вся історія і практика напівпровідникового матеріалознавства, а також тенденції ,що склалися в ній, свідчать про те, що уявлення про кристали високої якості грунтується на одночасному досягненні заданих значень електрофізичних значень, електрофізичних параметрів, ступеня структурної досконалості, геометричних розмірів і форми. При рішенні такої триєдиної задачі доводиться враховувати, що ці параметри не є незалежними, тобто вони по-різному залежать від умов виготовлення кристалів і структур. Наприклад, отримання циліндричних кристалів з мінімальним ступенем ограновування вимагає радіальних температурних градієнтів, що погіршує структуру дислокації і однорідність розподілу домішки. Тому доводитися, по суті, шукати оптимальне значення технологічних чинників, що забезпечують саме відповідні (не завжди якнайкращі) значення параметрів якості.
Отже, система критеріїв оцінки якості напівпровідникових матеріалів і структур, що включає еоектрофізичні, структурні геометричні (а іноді і механічні) параметри, може бути прийнятий лише як базова, забезпечуючої перше наближення до якоїсь системи критеріїв, володіючою абсолютною (в ідеалі) повнотою.
Іншими словами, отримання кристалів і структур, що задовольняють вимогам базової системи, є необхідна, але далеко не достатня умова гарантованого високого рівня показників якості і технологічності приладів.
Схематично такий підхід представлений на мал. 4.1.
Наявний багатий підхід по встановленню кореляції між параметрами напівпровідникових матеріалів і приладів дозволяє твердити, що ймовірно іншим наближенням повинна бути система критеріїв, що включає якісь "малі", тобто специфічні для кожного виду напівпровідникових приладів і ІС, параметри.
Іноді, щоб пропонувати поведінку матеріалу в приладі, будують спрощену, але працездатну (по основних показниках) модель цього приладу і визначають, зрештою, придатність випробовуваного матеріалу. Перевагою такого "тестового підходу" є експресність і інтегральність, але він не завжди бажаний по економічних міркуваннях, оскільки є руйнуючим. Проте ця система вже ближче до n-го наближення і, можливо, коли таке тестування придбає характер віртуального математичного моделювання з використанням ЕОМ, оптимальна система критеріїв оцінки якості буде майже досягнута.
4.6 Адаптаційний підхід до управління якістю напівпровідників
Неповнота базової системи критеріїв оцінки якості напівпровідників виявляється в тому, що кристали і структури, отримані в однакових умовах і нормативні значення вихідних параметрів, що мають, в загальному випадку можуть достатньо сильно відрізнятися по відсотку виходу в годні прилади.
З другого боку, є вагомі підстави вважати, що поліпшення очищення і ступеня досконалості структури напівпровідникових матеріалів іноді навіть приводить до негативних наслідків.
Тут доречно пригадати декілька класичних прикладів з історії германію, який був першим технічно освоєним напівпровідником і як модельний матеріал що не втратив свого значення і понині.
Відомо, що перші германієві транзистори відрізнялися великою температурною нестабільністю параметрів. Це легко пояснюється тим, що прагнення використовувати, якомога більш чистий германій зумовлювало переважання власної провідності.
Як тільки стали застосовувати легований германій, термостабільність параметрів транзистора істотно покращала зважаючи на домінування домішкової становлячої провідності, енергія активації якої значно менше власної.
Домішки є дефектами кристалічної будови, тому даний приклад можна трактувати як навмисне "псування" початкового германію з метою його пристосування до специфіки приладу.
Схожа ситуація виникла, коли навчилися одержувати бездислокаційний германій і з найзагальніших міркувань чекали певного поліпшення показників якості і технологічності приладів. Проте, виявилося, що при виготовленні електронно-дірчастих переходів за сплавною і дифузійно-сплавною технологією різко погіршилася змочуваність поверхні германію електродними сплавами, більш вираженою стала неоднорідність фронту вплавлення, відбулося "пом'якшення" вольтамперних характеристик та інше. з всіма витікаючими звідси негативними наслідками.
Зараз "корисна у ряді випадків роль" дислокацій стала більш зрозумілою і загальновизнаною. Річ у тому, що бездислокаційні кристали германію і кремнію завжди перенасичені вакансіями і мікродефектами, які у свою чергу можуть негативно впливати на параметри приладу. До того ж, дислокації діють як геттеруючі центри, "відсмоктуючи" на себе рухомі фонові домішки і тим самим підвищуючи ефективну глибину очищення матеріалу.
Загальновідомо також, що в цілому домішка кисню в германії і кремнії є небажаною, оскільки її присутність в більшості випадків погіршує характеристики приладів. Досліди по використовуванню малокисневого германію в сплавах средньопотужних і конверсійних германієвих транзисторах показали, що такий матеріал більше схильний до крихкого розширення і дає негативний результат в приладах (погіршення вольтамперних характеристик, теплостійкості і основних параметрів, радіаційної стійкості та інше.). Було показано, що для кожного типу приладу існує своя оптимальна концентрація кисню, при якій показники його якості і технологічності є кращими, тому іноді слідує навіть спеціально збільшувати концентрацію кисню. Механізм дії кисню полягає в тому, що він через свою високу спорідненість до швидко диффундуючих фонових домішок, самою небезпечною з яких для германію є мідь, зв'язує ці домішки в нейтральні комплекси, блокуючи їх проникнення в активну область електронно-дірчастого переходу. При концентрації кисню менше оптимальної, негативну роль грає надлишок цих фонових домішок.
Наведені приклади лише ілюструє ті, що склалися в сучасному напівпровідниковому приладобудуванні думка про необхідність контролю висхідних напівпровідникових матеріалів по якихось додаткових до базової системи оцінки якості параметрам (які іноді називають "малими") з метою обліку можливого впливу фону дефектів і домішок, неминуче що вноситься самим технологічним процесом виготовлення приладів і мікросхем. Недооцінка наслідків взаємодії, з одного боку, і дефектів структури і домішок "приладового походження", з другого боку, може привести до тому, що більш швидкий або досконаліший в структурному відношенні матеріал дасть гірші результати в приладах.
Узагальнюючи, можна твердити, що висхідний матеріал повинен містити цілком певну кількість відомих дефектів.
Іншими словами, матеріал слід адаптувати до специфіки приладу.
Хай Wм – вихід матеріалу із заданими параметрами, а Wмт – його теоретично можливе максимальне значення. В умовах повної адаптації матеріалу до виробництва приладів повинна дотримуватися умова:
Wм= Wмт=Wпт (4.9)
де Wп – частка використовування матеріалу в приладах реальних умовах, яка завжди менше теоретично очікуваної величини Wпт. Це пояснюється, головним чином, двома причинами: об'ємною недосконалістю висхідного матеріалу і невідповідністю його геометричної форми і розмірів вимоги конструкції приладу. Вводячи в розгляд коефіцієнт реалізації виходу технологічного процесу отримання матеріалу
r= Wм /Wмт1 і коефіцієнт адаптації A=Wп/Wпт1, неважко сформулювати принцип оптимізації якісних параметрів матеріалу з урахуванням особливостей конструкції і технологічності виготовлення приладів
(4.10)
Адаптаційний підхід дозволяє реалізовувати друге наближення до кінцевої мети, тобто до отримання приладів з оптимальними показниками якості і технологічності.
Отримання високочистого, структурного досконалого і однорідного матеріалу розглядається як обов'язковий початковий етап в загальному технологічному ланцюзі, оскільки всі подальші адаптаційні процеси повинні здійснюватися на фоні відомого і контрольованого змісту дефектів і домішок. Таким чином, адаптаційний підхід не вступає в суперечність з традиційними класичними тенденціями управління якістю в матеріалознавстві і приладобудуванні напівпровідників.