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

Соотношение между средней длиной свободного пути молекул и линейным размером с? сосуда, в который заключен газ, определяет степень разреженности, или вакуума в сосуде.

Если средняя длина свободного пути значительно меньше раз­ меров сосуда (Х<С^), т. е., если молекулы чаще сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда, считают, что газ находится под давлением, близким к нормальному (низкий вакуум).

Состояние газа, при котором Х^й, называют средней степенью разреженности, или средним вакуумом.

Наконец, состояние, для которого соблюдается условие т. е. молекулы значительно реже сталкиваются между собой, чем

со стенками сосуда, соответствует условиям высокого вакуума. Соотношения между средней длиной свободного пути и давле­

нием приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Соотношения между средней длиной свободного пути и давлением в различных областях вакуума

Давление ниже атмосферного (т. е. степень разрежения) обыч­ но выражают в мм рт. ст. Эту единицу измерения называют так­ же «Тор»: 1 Тор = 1 мм рт. ст. По международной системе единиц (СИ) следует пользоваться единицей давления Н/м2 (ньютон на -квадратный метр): 1 мм рт. ст. = 133,322 Н/м2.

Вакуум создают с помощью специальных насосов двух основ­ ных групп: вращательных (механических) и пароструйных (диф­ фузионных) .

Вращательные насосы, предназначенные для откачки до пред­ варительного разрежения (,~1-10~3 мм рт. ст.), называют форвакуумными. По конструкции их разделяют на пластинчато-ротор­ ные, пластинчато-статорные, золотниковые и специальные (газо­ балластные и многопластинчатые).

Пароструйные насосы, предназначенные для создания высокого вакуума (~ Ы 0 ~ 6 мм рт. ст.), бывают парортутные и паромасля­

И

ные. Пароструйные насосы в отличие от вращательных работают лишь после того, как в откачиваемом объеме уже получено пред­ варительное разрежение порядка 0,1—20 мм рт. ст.

12

§ 5. Измерительные приборы

Для контроля температуры в полупроводниковом производстве используют обычные термометры, термометры сопротивления, а также термопары (табл. 5). Принцип действия обычных термомет­ ров основан на температурном расширении тел, а термометров сопротивления ■— на температурном изменении электрического со­ противления металлов. Действие термопары основано на свойстве спая разнородных металлов развивать термо-э. д. с. при нагрева­ нии. Термопара состоит из двух разнородных проводников, рабочие (так называемые «горячие») концы которых соединены или спая­ ны друг с другом, а свободные («холодные») концы подключены к измерительному прибору. Наиболее часто используют термопары следующих типов: ТПП —- платинородий (10% родия)-платиновая с градуировкой ПП-1; ПТПР — платинородий (30% родия)-плати­ нородиевая (6% родия)с градуировкой ПР-30/6; ТХА— хромельалюмелевая с градуировкой ХА; ТХК— хромель-копелевая с гра­ дуировкой ХК; ТНС — из сплавов НК-СА с градуировкой НС. Тер­ мопары ТПП, ТХА и ТХК взаимозаменяемы. Кроме того, применя­ ются нестандартные термопары: железо-копелевые, медь-копеле- вые, вольфрам-молибденовые и др.

Градуируют термопары при температуре свободных концов, равной 0°С. Работая с термопарой при другой температуре сво­ бодных концов, необходимо вводить поправку, пользуясь специ­ альными таблицами. В системах регулирования температуры обыч­ но имеются специальные компенсаторы, которые вводят эту по­ правку автоматически. Термопару в комплекте с измерительным прибором (милливольтметром или автоматическим потенциомет­ ром.) называют термоэлектрическим пирометром.

В тех случаях, когда нельзя применить термопару, пользуются оптическими пирометрами, принцип действия которых основан на

13

Блок ВТ-2 предназначен как для питания подогревателя, так и для измерения термо-э. д. с. лампы-датчика.

Для измерения вакуума от 1 • К)-3 до 1 • 10~7 мм рт. ст. применя­ ют ионизационный манометр, состоящий из датчика (ионизацион­ ной лампы ЛМ-2) и электрического блока ВИ-3.

Ионизационная лампа представляет собой триод, в баллоне ко­ торого размещен катод, сетчатый анод и отрицательно заряженный электрод-коллектор ионов. При работе лампы, соединенной с отка-

чиваемым объектом, электроны с раскаленного катода, ускоряясь под действием положительного потенциала сетки, ионизируют раз­ реженный газ и образующиеся положительные ионы собираются на коллекторе. В результате в цепи коллектора возникает ионный ток, величина которого пропорциональна давлению газа. Этот ток преобразуется в электрическом блоке и регистрируется измери­ тельным прибором.

Блок ВИ-3 предназначен для питания лампы-датчика, усиления и измерения ионного тока.

Для удобства работы электрические блоки термопарного и ионизационного вакуумметров объединены в один прибор — иони­ зационно-термопарный вакуумметр ВИТ-1.

Кроме того, в настоящее время применяют широкодиапазонные теплоэлектрические вакуумметры ВТБ-1 для измерения давления от 30 до 2-10~3 мм рт. ст., а также магнитно-электрозарядные при­ боры ВМБ-8 для измерения давления от 10-2 до 10~9 мм рт. ст., которые обеспечивают работу без переключения диапазонов, могут

15

быть подсоединены к ЭВМ и предназначены для автоматизирован­ ных вакуумных систем. Их выходные приборы градуированы в мм рт. ст.

Контрольные вопросы

1. Каковы требования производственной гигиены при изготовлении полупро­ водниковых приборов?

2.Как классифицируют вакуумно-термические и термические процессы?

3.Какие области вакуума вы знаете?

4.Какими средствами создают вакуум?

-5. Какие приборы применяют для измерения температуры? 6. Каков принцип измерения вакуума?

Г Л А В А В Т О Р А Я

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

§6,| Основные свойства полупроводниковых материалов

Кполупроводниковым материалам (полупроводникам) относят­ ся германий (Ое), кремний (51), селен (5е), окислы меди (СиО и Си20), арсенид галлия (ОаАэ) и др. От изоляторов и проводников полупроводники отличает в первую очередь величина удельного электрического сопротивления: они обладают удельным сопротив­ лением, в миллионы раз большим, чем металлы, но в миллиарды раз меньшим по сравнению с изоляторами. С повышением температуры сопротивление полупроводников в отличие от металлов падает.

По ряду причин особо широкое применение в полупроводнико­ вой технике нашли только германий и кремний. Это обусловлено следующим: физические свойства германия и кремния и ширина запрещенной зоны, в частности время жизни неосновных носите­ лей, благоприятствуют созданию полупроводниковых приборов с необходимыми электрическими характеристиками, а технология их получения удовлетворяет требованиям массового производства.

Именно германий и кремний были впервые изготовлены в виде монокристаллических слитков с явно выраженным электронным или дырочным типом проводимости. Кроме того, удельное сопротивле­ ние этих материалов можно легко регулировать введением опре­

деленных примесей.

Основные свойства полупроводниковых материалов приведены

в табл. 6.

Германий и кремний являются хрупкими и твердыми вещества­ ми, поэтому их нельзя обрабатывать методами, пригодными для металлов (точением, фрезерованием, штамповкой и т. и.). По элек­ трофизическим свойствам германий отличается от кремния более высокой подвижностью электронов и дырок, что позволяет созда­ вать германиевые приборы с лучшими частотными свойствами. С другой стороны, большая ширина запрещенной зоны в кремнии обеспечивает хорошую температуростойкость приборов, изготовлен­ ных из этого материала.

16

Химические реагенты воздействуют на эти полупроводники различно. Например, германий устойчив к соляной, азотной и хо­ лодной серной кислотам, но растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот, в растворе перекиси водорода, а также в горячих растворах едкого калия и едкого натрия. Кремний устойчив ко всем кислотам (кроме смеси плавиковой и азотной), но легко реа­ гирует со щелочами. При окислении на поверхности образуется очень плотная пленка двуокиси. Это свойство кремния открыло новые технологические возможности для повышения качества по­ лупроводниковых приборов.

Все более широкое применение для производства полупровод­ никовых приборов получает арсенид галлия (ОаАэ). Этот полупро­ водниковый материал имеет большую ширину запрещенной зоны и поэтому весьма перспективен для изготовления приборов с повы­ шенной эксплуатационной температурой. Кроме того, его использу­ ют для производства специальных сверхвысокочастотных прибо­ ров.

- § 7. Методы очистки германия и кремния

Очистку полупроводниковых материалов выполняют .химиче­

оиилиотека С

удаление примесей, проводят их очистку и восстанавливают до ис­ ходного вещества. Например, в производстве германия широко при­ меняют дистилляцию (перегонку) его тетрахлорида (ОеСЦ). Про­ цесс очистки германия состоит из следующих основных операций:

хлорирования исходного вещества для получения тетрахлорида германия;

дистилляции тетрахлорида германия и обработки его над мед­ ными стружками;

гидролиза очищенного тетрахлорида германия и получения дву­ окиси германия (ОеОг);

восстановления двуокиси германия водородом при 600—650° С; сплавления полученного порошка германия в слиток при темпе­

ратуре 1000° С в атмосфере водорода или азота.

На химических методах основано также промышленное полу­ чение кремния. Так, по методу Бекетова, тщательно очищенный че­ тыреххлористый кремний (БЮЦ) восстанавливают при 950°С па­ рами цинка. Трихлорсилановый метод состоит в обработке водоро­ дом особо чистого трихлорсилана БЩС1з. Проводя эту реакцию соединения при температурах 1000—1100° С, также получают эле­ ментарный кремний.

Эти способы требуют, конечно, чтобы все вспомогательные реа­ генты имели высокую степень чистоты. В целом химическая очист­ ка германия и кремния все же является недостаточной.

Чтобы представить себе, какой чистотой должны обладать по­ лупроводники, приведем следующий пример. В 1 см3 полупровод­ ника содержится около 1022 атомов. Поскольку чистый с точки зрения полупроводникового производства германий не должен иметь более 1012 атомов посторонних веществ (на 1 см3), то один атом примеси может приходиться лишь на 1010 атомов германия. Требования к кремнию являются еще более жесткими. Поэтому для дополнительной очистки этих материалов применяют физиче­ ские методы.

Ф и з и ч е с к и е ме т о д ы о ч и с т к и германия и кремния ба­ зируются на различной растворимости примесей в твердом веще­ стве и его расплаве. Растворимость можно охарактеризовать рав­ новесным коэффициентом распределения К, который представляет собой отношение концентраций примесей в твердой и жидкой фа­ зах. Как правило, этот коэффициент всегда меньше единицы (/С<1). По данным, приведенным в табл. 7, видно, что из элемен­ тов третьей группы периодической системы Д. И. Менделеева наи­

коэффициента распределения К от единицы и лежит в основе фи­ зических методов очистки полупроводников, основными из которых являются направленная кристаллизация и зонная плавка.

Метод направленной кристаллизации заключается в перемеще­ нии примесей из отвердевающего слитка в расплав при очень мед-

18

Т а б л и ц а Т

Характеристики примесных элементов

ленном выдвижении изложницы или тигля из печи. Самой чистой будет та часть слитка, которая начала отвердевать первой. В на­ правлении к противоположному концу слитка концентрация при­ месей увеличивается.

Метод зонной плавки применяют в полупроводниковой промыш­ ленности наиболее широко. Остановимся на нем бол'ее подробно.

Рис. 4. Зонная плавка германия:

/ —графитовая лодочка, 2 — кварцевая труба, 3 —секции индуктора, 4 — жидкая зона германия, 5 — твердая зона германия

Принцип зонной плавки показан на рис. 4. Вещество, подлежа­ щее очистке, например германий, помещают в графитовую лодоч­ ку /, которая находится в кварцевой трубе 2 технологической ус­

частоты. Каждая секция расплавляет узкие участки (зоны) 4 гер­ мания," которые перемещаются справа налево и чередуются с твер­ дыми (нерасплавленными) участками 5.

Для германия характерно, что почти все примеси лучше раст­ воряются в жидкой фазе, чем в твердой (т. е. имеют коэффициент

19