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

О. С. Моряков

Вакуумно-термические

итермические процессы

вполупроводниковом

производстве

Одобрено Ученым советом

Государственного комитета Совета Министров СССР

в качестве учебного пособия для профессионально-технических учебных заведений

МОСКВА, «ВЫСШАЯ ШКОЛА»

1974

6Ф0.32 М79

Моряков О. С.

М79 Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве. Учеб, пособие для проф.-техн. учебн. заведёний. М., «Высшая школа», 1974.

144 с. с ил.

В книге описаны основные вакуумно-термические и термические процес­ сы, проводимые при изготовлении полупроводниковых материалов и электрон­ но-дырочных переходов методами сплавления и диффузии, способы получения эпитаксиальных и металлических пленок, а также приведен материал по пла­ нарной и элионной технологии изготовления полупроводниковых приборов, получению паяных соединений и лужению. Дано описание оборудования, при­ меняемого при выполнении основных вакуумно-термических и термических процессов полупроводникового производства и приведены его технические

характеристики.

Со всеми замечаниями и предложениями просим обращаться по адресу: Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая

школа».

© Издательство «Высшая школа», ¡1974.

ВВЕДЕНИЕ

Производство полупроводниковых приборов — сравнительно мо­ лодая отрасль электронной промышленности — широко использует металлургические, термические, фотолитографические, химические и электрофизические процессы, а также различные способы обра­ ботки металлов, пластмасс, стекла и керамики и разнообразные ме­ тоды пайки, сварки, нанесения покрытий и высокоточной сборки. Производство полупроводниковых приборов базируется на новей­ ших достижениях науки и техники и характеризуется сложным ком­ плексом специфичных операций.

Наиболее существенной особенностью этого производства явля­ ется то, что основой полупроводникового прибора служит всего одна деталь — кристалл полупроводникового материала (полупро­ водника),— свойства которой определяются последовательностью совершаемых над ней технологических операций.

Процесс изготовления полупроводниковых приборов требует максимальной тщательности и включает несколько десятков техно­ логических переходов, в результате которых в объеме кристалла полупроводника получают участки с особыми физическими свойст­ вами, толщина которых может быть в сто раз меньше толщины че­ ловеческого волоса.

Эти участки создают специальными технологическими методами (например, сплавлением, диффузией), не нарушая целостности кри­ сталла, и результаты их почти не поддаются непосредственному контролю и проявляются лишь при проверке готового прибора.

Сложные физические явления происходят и на поверхности полу­ проводникового кристалла, где могут скапливаться атомы посторон­ них веществ. Эти процессы, также трудно контролируемые, опреде­ ляют работоспособность прибора не сразу после его изготовления, а спустя лишь некоторое время. Там, где электронно-дырочный пе­ реход проходит в глубине полупроводника, ему не угрожают по­ верхностные явления. В местах же, контактирующих с поверхно­ стью кристалла, электронно-дырочный переход оказывается доступ­ ным влиянию внешней среды. При разогреве работающего прибора химические реакции начинают протекать более активно и это может привести к ухудшению характеристик и выходу прибора из строя.

Для предохранения поверхности кристаллов с переходами от загрязнения в производстве полупроводниковых приборов применя­ ют только особо чистые химические вещества, в частности деиони­ зованную воду и газы с контролируемым содержанием вредных при­ месей. Кроме того, поверхность кристаллов защищают различными пленками. Исходные полупроводниковые материалы (германий и кремний) также должны содержать строго ограниченное количество примесей. Современные методы очистки и анализа полупроводников

3

позволяют получать, например, германий чистотой 99,99999999%. Все материалы полупроводникового производства обязательно дол­ жны проверяться на соответствие действующим стандартам и тех­ ническим условиям в самом начале технологического цикла.

К основным параметрам полупроводников относят удельное соп­ ротивление материала и его разброс по длине и поперечному сече­ нию слитка, время жизни неосновных носителей тока, плотность дислокаций, или количество дефектов кристаллической решетки,

приходящееся на один квадратный сантиметр поверхности полупро­ водника.

Если материал обнаруживает значительный разброс по значени­ ям удельного сопротивления, полученные из него приборы также будут обладать разбросом характеристик и их будет трудно, а ино­ гда и невозможно использовать. Следует учитывать, что в объеме

полупроводника могут иметь место некоторые микронеоднородно­ сти.

В большинстве случаев требуются полупроводники с максималь­ ной величиной времени жизни неосновных носителей тока. Этот па­ раметр не только определяет коэффициент усиления прибора, но и служит показателем чистоты материала: чем больше время жизни

неосновных носителей, тем меньше примесей содержит полупровод­ ник.

Существенное значение в технологии приборов имеет и плот­ ность дислокаций. Если она достигает нескольких десятков тысяч на один квадратный сантиметр, годные приборы получают случайно: при создании электронно-дырочных переходов все процессы вдоль нарушений кристаллической решетки протекают значительно быст­ рее, что приводит к пробоям и замыканиям.

Основные процессы полупроводникового производства осущест­ вляют в термических установках (печах) в атмосфере водорода или в вакууме. При повышенных температурах требования к чистоте возрастают. Так, технологические газы должны быть свободны от влаги и кислорода. Для процессов сплавления необходимо приме­ нять водород с точкой росы не^ выше —70° С и содержанием кисло­ рода не более 1 • 10~5 г/л. Важное значение имеет также темпера­ турный режим установки. Например, точность поддержания темпе­ ратуры в рабочей зоне печи длиной 400 мм должна составлять

+0,5° С.

Впроизводстве полупроводниковых приборов для защиты элект­ ронно-дырочных переходов, изготовления невыпрямляющих контак­ тов, пассивных компонентов микросхем и других элементов широко

применяют различные пленки. В этом случае преимущественной тех­ нологической средой является вакуум.

Вакуумно-термические и термические процессы являются основ­ ными процессами полупроводникового производства и служат для получения и легирования полупроводниковых материалов, создания электронно-дырочных переходов и невыпрямляющих контактов, из­ готовления корпусов и др. Для подготовки операторов по проведе­ нию этих процессов предназначено настоящее учебное пособие.

4

Г Л А В А П Е Р В А Я

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ГИГИЕНА. ОСНОВЫ ВАКУУМНО-ТЕРМИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ 1. Сведения о производственной гигиене

Производство надежных и долговечных полупроводниковых при­ боров, даже при правильно выбранной технологии, немыслимо без соблюдения производственной гигиены, под которой понимают ком­ плекс мероприятий, обеспечивающих защиту элементов и деталей приборов от всевозможных загрязнений. Кристаллы с электронно­ дырочными переходами, составляющие основу полупроводниковых приборов, особенно чувствительны к попаданию на них влаги, кис­ лот, щелочей и других веществ, которые резко ухудшают парамет­ ры приборов. Взаимодействуя с парами воды, эти вещества обра­ зуют подвижные заряды-ионы, переносящие электрический ток через переход и нарушающие нормальную работу прибора, особен­ но после его разогрева.

Чтобы обеспечить выполнение требований производственной ги­ гиены, необходимо правильно выбрать район расположения пред­ приятия, конструкцию здания, размещение цехов, обеспечить опре­ деленный уровень влажности и температуры, а также провести организационные мероприятия, направленные на выполнение пра­ вил производственной гигиены работающими. Основные виды за­ грязнений цехов — это пыль, пары воды, газы и др. В зависимости от концентрации и размеров частиц пыли, содержащейся в воздухе, производственные помещения разделяют на три класса (табл. 1).

Таблица 1

Классификация производственных помещений

Максимальное количество в 1 л воздуха частиц пыли размером, мкм

Как видно из табл. 1, самыми чистыми являются помещения класса 3. В них проводят вакуумно-термические и термические про­ цессы получения электронно-дырочных переходов (диффузию, сплавление, наращивание эпитаксиальных пленок, напыление), а

5

конструировании оборудования не рекомендуется использовать ма­ териалы, способные из-за электризации притягивать частицы пыли (например, некоторые марки органического стекла). Предпочти­ тельный цвет окраски оборудования — светло-зеленый или светлоголубой.

Обслуживающий персонал должен тщательно соблюдать прави­ ла производственной гигиены. Необходимо следить за тем, чтобы с одеждой персонала в чистые помещения не заносилась пыль, по­ этому спецодежду шьют из безворсовых тканей. Хранят спецодежду, а также личную одежду в индивидуальных шкафах, установленных в специально отведенном месте. Непосредственно перед работой и во время работы запрещается пользоваться косметическими средства­ ми. Чтобы исключить попадание жировых загрязнений на изделия и детали, работники полупроводникового производства должны поль­ зоваться резиновыми напальчниками, перчатками и пинцетами. От работающих требуется правильное ношение спецодежды, своевре­ менная ее стирка и чистка, периодическое мытье рук, а также про­ тирка рук, рабочего места и инструмента спиртом, соблюдение тех­ нологической дисциплины и ограниченное движение в производст­ венных помещениях. Изготовленные детали, полуфабрикаты и соб­ ранную арматуру приборов необходимо хранить в специальной таре или вакуумных шкафах.

§2. Классификация технологических процессов

иоборудования

Основные процессы изготовления полупроводниковых прибо­ ров — зонную очистку полупроводников, вытягивание монокристал­ лов, сплавление, диффузию, создание невыпрямляющих контактов, выращивание различных пленок, соединение стекла и керамики с металлом, лужение и другие — выполняют на специальном оборудо­ вании при температуре, значительно превышающей окружающую.

По т е х н о л о г и ч е с к о й ( ра боче й ) с ре де , в которой осуществляются основные процессы полупроводникового производ­ ства, их можно подразделить на вакуумно-термические и термиче­ ские.-Первые, как показывает само их название, выполняют в ваку­ уме, а вторые — в атмосфере различных газов. Эти технологические

вакуумного осаждения, а также катодного распыления различных материалов, а к термическим-—выращивание монокристаллов, зон­ ная плавка, сплавление, диффузия, термоокисление, наращивание эпитаксиальных пленок, пайка и лужение. Некоторые процессы (вы­ ращивание монокристаллов, сплавление) могут осуществляться и тем и другим способами.

В з а в и с и м о с т и от р а б о ч е й т е м п е р а т у р ы процессы бывают низкотемпературные —до 900° С (при производстве герма­ ниевых приборов)’ и высокотемпературные —до 1300° С (при произ­ водстве кремниевых приборов). В соответствии с этим классифици­ руют и технологическое оборудование.

7

Так, для изготовления полупроводниковых материалов применя­ ют установки зонной плавки и выращивания монокристаллических слитков. Основным оборудованием для сплавления и диффузии яв­ ляются специальные печи. Различные пленки получают в вакуум­ ных напылительных установках, камерах катодного распыления, а также аппаратуре для эпитаксии и т. д. При работе с электронными и ионными пучками применяют электронно- и ионнолучевые устано­ вки. Наконец, для изготовления корпусов полупроводниковых при­ боров используют газовые и вакуумные печи (для отжига металли­ ческих деталей), конвейерные газовые печи и полуавтоматы (для получения спаев стекла с металлом), колпаковые и конвейерные газовые печи (для пайки металла с металлом и керамикой), а так­ же различные устройства для горячего лужения выводов.

По п р и н ц и п у д е й с т в и я оборудование может быть перио­ дического (вакуумные напылительные установки) и непрерывного (конвейерные печи) действия.

По способу регулирования температуры различают устройства с автоматической системой поддержания температуры на заданном уровне и с программным управлением.

По к о н с т р у к ц и и различают оборудование с вертикальным и горизонтальным расположением рабочего объема, а также по фор­ ме, числу каналов или камер и др.

В оборудовании для вакуумно-термических и термических про­ цессов используют несколько типов нагревателей. Наиболее распро­ странены нагреватели сопротивления: прямонакальные, спиральные, стержневые, силитовые и другие, которые применяют в печах для сплавления, диффузии и в вакуумных напылительных камерах. Индукционные катушки токов высокой частоты оказались особенно удобны для установок зонной плавки и выращивания монокристал­ лов, а также для получения пленок. В новейшем термическом обору­ довании применяют радиационные нагреватели (инфракрасные лампы накаливания), отличающиеся малой инерционностью и не­ большими габаритами.

§ 3. СпособП теплопередачи

Вакуумно-термические и термические процессы полупровод­ никового производства основаны на трех известных способах пере­ дачи тепла: теплопроводности, конвекции и излучении (лучеиспус­ кании, радиации). Познакомимся с ними более подробно.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь —это процесс передачи тепла от одной части тела к другой или между двумя соприкасающимися телами. Физически механизм теплопроводности для газов, жидкостей и твердых тел несколько различен. В газах передача тепла происхо­ дит вследствие хаотического свободного движения молекул. В твер­ дых телах она осуществляется за счет колебания атомов кристалли­ ческой решетки, а в металлах — еще и как результат движения сво­ бодных электронов. В жидкостях передача тепла происходит упруги­ ми волнами.

8

К о н в е к ц и я —это теплопередача за счет движения небольших объемов жидкой или газовой среды. В твердых телах она, конечно, невозможна. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

И з л у ч е н и е обусловлено распространением электромагнит­ ных колебаний через прозрачную для них среду. При этом тепло нагревателя переходит в лучистую энергию, которая, попадая на другие тела, вновь превращается в тепловую. Радиационная пере­ дача тепла находит применение в печах с лампами накаливания или другими источниками интенсивного излучения, которое направ­ ляется непосредственно на обрабатываемые объекты. С внешней стороны нагреватель экранируют. Если поверхности экранов имеют высокий коэффициент отражения, почти вся лучистая энергия идет на обогрев.

(рис. 1). Рабочим пространством установки служит кварцевая труба 1, вокруг которой расположен нагреватель 2. Между нагре­ вателем и трубой имеется воздушная прослойка. Снаружи нагре­ ватель изолирован материалом 3, имеющим низкую теплопровод­ ность и закрыт кожухом 5. В кварцевую трубу устанавливают лодочки 4 с полупроводниковыми пластинами. Технологической средой обычно является газ (азот, водород, аргон, кислород).

При включении нагревателя тепловая энергия через воздушный промежуток передается кварцевой трубе. Роль конвекции здесь однако незначительна, так как воздушная среда практически неподвижна из-за наличия слоя теплоизоляции между трубой и кожухом печи. Поэтому в основном теплопередача осуществляется за счет теплопроводности и излучения.

Одновременно тепло распространяется и вдоль кварцевой тру­ бы. Кварцевая труба обладает значительной массой и теплоемко­ стью и поэтому разность температур на участке определенной про­ тяженности сглаживается и создается рабочая зона печи с постоян­ ной температурой. Разогретая кварцевая труба становится источ-

9