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

Не все перечисленные выше элементы могут быть пригодны для получения сплавов для целей полупроводникового производства.- Например, бор имеет слишком высокую (2200° С), а галлий — очень низкую (29,8° С) температуру плавления; алюминий образует с германием сплав с неудовлетворительным коэффициентом линейно­ го расширения, что приводит к разрушению электродов.

При производстве германиевых сплавных транзисторов наи­ большее применение получил индий, который имеет сравнительно низкую температуру плавления (156° С) и хорошую растворяющую способность. Из диаграммы состояния (рис. 13, а) видно, что при

Рис. 13. Диаграммы состояний:

а — германий —индий, б — кремний — алюминий

температуре 600° С расплав содержит 20 атомных процентов гер­ мания. Для улучшения некоторых параметров приборов, например коэффициента усиления, применяют сплавы индия с галлием.

При производстве дырочного германия не представляется воз­ можным использовать перечисленные элементы V группы перио­ дической системы Д. И. Менделеева, что обусловлено их хрупко­ стью и несоответствующими коэффициентами линейного расшире­ ния. В этом, случае используют нейтральные пластичные элементы IV группы периодической системы (обычно олово и свинец), кото­ рые обладают низким пределом текучести и не создают опасных напряжений. В сплавы германий — свинец и германий — олово,, чтобы придать им донорные свойства, добавляют сурьму (до 2%). Мышьяк и фосфор имеют ограниченное применение вследствие их токсичности, хотя и весьма полезны, так как понижают сопротив­ ление электронной области перехода.

Для создания омических контактов с электронным германием обычно используют олово. Иногда, чтобы повысить концентрацию доноров, к германию добавляют 5—7% сурьмы, а чтобы улучшить пластичность — свинец. Омические контакты с дырочным герма­ нием получают с помощью сплавов олова или свинца с индием

(до 50%).

31.

Для сплавления с электронным кремнием индий неприменим, так как он плавится при слишком низкой температуре. Хорошие результаты в этом случае дает алюминий. Причем глубину проник­ новения алюминия в кремний ограничивают, используя эвтектику, ■содержащую 11,7 атомных процентов кремния и 88,3 атомных про­ центов алюминия. Точка плавления эвтектики 577° С. Для увеличе­ ния пластичности иногда к алюминию добавляют небольшие ко­ личества галлия или используют акцепторные сплавы на основе золота и серебра. Алюминий хорошо растворяет кремний и смачи­ вает его поверхность. При температуре 900° С (рис. 13, б) в рас-

ш

№

атом/си3

Рис. 14. Температурная зависимость раствори­ мости:

а — индия в германии, 6 —алюминия в кремнии

плаве содержится около 35 атомных процентов кремния. Для полу­ чения переходов на кремнии дырочного типа проводимости приме­ няют сплавы золота и серебра с сурьмой и мышьяком.

При создании невыпрямляющих контактов с электронным крем­ нием используют сплавы золота и серебра с сурьмой, мышьяком и ■фосфором, а с дырочным кремнием — алюминий, иногда с неболь­ шими добавками галлия или олова (свинца) с серебром.

Температурная зависимость растворимости основных легирую­ щих элементов в германии и кремнии показана на рис. 14.

Глубина сплавления и площадь перехода в значительной степе­ ни зависят от количества (навески) электродного сплава, т. е. электродные сплавы необходимо дозировать. Заготовки электрод­ ных сплавов могут быть в виде колец,, дисков, пластин, шариков и др.

§ 13. Изготовление электродных сплавов

Получение сплава с заданным содержанием и равномерным распределением компонентов является довольно сложной задачей. Так как при расчетах нельзя точно предусмотреть дальнейшие

32

потери компонентов, обычно приходиться подбирать состав исход­ ной шихты опытным путем.

Сплавы на основе индия готовят в тиглях из кварца или корун­ да; разливку их производят на воздухе. Если в состав этих спла­ вов входят золото, серебро или галлий, процесс ведется в кварце­ вых ампулах, откаченных до 1 0 _3 мм рт. ст.

Сплавы свинец —серебро и свинец — олово — сурьма получают в корундовых тиглях и разливают под струей аргона.

Композиции, содержащие мышьяк, фосфор или сурьму, а так­ же элементы, в значительной степени отличающиеся температурой плавления или малой взаимной растворимостью, приготовляют в запаянных ампулах.

Для плавки используют как обычные'электропечи, так и уста­ новки с индукционным нагревом. Предварительно корундовые или кварцевые тигли'и ампулы должны быть тщательно протравлены, вымыты и высушены. Контролируют сплавы на равномерность рас­ пределения компонентов методами химического, спектрального и металлографического анализа.

Помещение для работы со сплавами должно иметь хорошую приточно-вытяжную вентиляцию. Запаивать и откачивать ампулы необходимо в вытяжном шкафу. При работе с мышьяком и фосфо­ ром необходимо соблюдать специальные меры техники безопас­ ности.

В качестве примера рассмотрим состав электродных сплавов, используемых при изготовлении германиевого транзистора ГТ108. Для эмиттерного электрода применяют сплав индия с галлием (ИнГл-0,5), для коллекторного — индия с цинком (ИнЦ-1), а для невыпрямляющего контакта — олова с сурьмой (ОСу-2).

Согласно принятой маркировке одна или две буквы обозначают основу сплава, а затем указывается примесный компонент и его процентное содержание. В нашем примере основой эмиттерного и коллекторного сплавов является индий, а сплава для омического контакта — олово; примесные компоненты представлены 0,5% гал­ лия, 1 %' цинка и 2 % сурьмы.

Эти сплавы приготовляют соответственно при температурах

180—220° С, 430—470° С и 440—460° С с 15—20-минутной выдерж­ кой, разливают в формы и охлаждают на воздухе.

§ 14. Оборудование для получения и дозировки электродных сплавов

Рассмотрим две установки для приготовления электродных сплавов.

На рис. 15 показана установка ЖК 01.08 с аргонным переме­ шиванием для приготовления многокомпонентных сплавов. Плавят шихту в кварцевом стакане (тигле) 2, окруженном нагревателем 3. Сверху стакан уплотняют пришлифованной крышкой 6, через кото­ рую проходят две трубки 5 и 8 для подачи и выпуска аргона и шток 7, закрывающий сливное отверстие 9. Во время загрузки тиг­

ля пробку приподнимают, а отверстие закрывают. При плавлении через металл продувают аргон, который поступает из баллона че­ рез ротаметр 1 и предварительно подогревается нагревателем 4. Пузырьки газа способствуют перемешиванию расплава и удалению различных загрязнений. Готовый сплав сливают в среде аргона в водоохлаждаемую форму 11, для чего осторожно поднимают шток 7, наблюдая за истечением струи через прозрачную кварце­ вую втулку 10.

Рис. 15. Установка для приготовления многокомпонентных сплавов с аргонным перемешиванием:

мышьяковистых сплавов, части которой смонтированы на верхней плите сварного каркаса 3. Нагревают и плавят шихту в откаченной кварцевой ампуле, снабженной нагревателем сопротивления 4. Для перемешивания и равномерного распределения компонентов ампу­ ла вместе с нагревателем приводится в движение от специального привода, состоящего из электродвигателя 1, червячного редукто­ ра 8, кривошипа 9 и кронштейна 2. При вращении кривошипа ам­ пула колеблется в вертикальной плоскости относительно оси 6. Кроме того, с помощью цилиндрических шестерен 7, вала, прохо­ дящего через втулку 5, эксцентрика и штока ампула движется го­

34

Рис. 17. Пресс с нижним приводом

Рис. 18. Пресс-форма для горячего выдавливания проволоки:

Большое значение для увеличения стойкости штампов имеет техническое состояние пресса. Беззазорные штампы не рекоменду­ ется ставить на пресса с большим люфтом в ползунах. Наиболее пригодны пресса с нижним приводом (рис. 17), которые имеют плавный ход ползуна, бесшумны в работе и обладают высокой точ­ ностью. Появившийся люфт устраняют регулировкой зазора между разрезными направляющими втулками и колонками ползуна.

Если необходимы электродные заготовки в виде проволоки, ее

она отрезается ножом 4. Затем пуансон перемещает отрезок про­ волоки в скошенное отверстие матрицы, где происходит постепен­ ное свертывание проволоки в кольцо вокруг конусного конца пуан­ сона. При возврате пуансона кольцо остается в матрице и по мере повторения операций продвигается к выходному отверстию, откуда сбрасывается в тару 5. Автомат можно переналаживать на полу­ чение колец разных диаметров из проволоки различного сечения.

Простейшим способом изготовления колец является навивка проволоки на цилиндрическую оправку с последующей разрезкой по образующей.

Отрезки проволоки заданной длины получают как вручную, так и на механизированных приспособлениях.

При ручном способе проволоку нарезают набором лезвий, соеди­ ненных в пакет через прокладки определенной толщины.

При механизированном способе изготовления отрезков (рис. 20)

•один конец проволоки длиной 200—250 мм зажимают губками 5 приспособления, расположенными на разрезной гайке 1, которая находится на вертикальной винтовой стойке 2, а другой конец встав­ ляют в дюзу 6. Поворот винтовой стойки на заданный угол, т. е. по­ дача проволоки на определенную длину, кинематически связан с ходом ножа 7, автоматически отрезающего проволоку и отходящего ® исходное положение. Работа приспособления происходит по цик­

37

лу: подача —отрезка. Для получения отрезков проволоки различ­ ной длины заменяют винтовую стойку с разрезной гайкой.

Для изготовления шариков наиболее совершенным является спо­ соб выдавливания расплава через калиброванное отверстие в мас­ ло. Электродные шарики, широко используемые при производстве маломощных германиевых транзисторов, позволяют механизиро­ вать процесс получения электронно-дырочных переходов. Диаметр шариков может быть от 0,3 до 1 мм.

А-А

Рис. 20. Механизированное приспособление для резки проволоки из электродных. сплавов:

/ — разрезная гайка, 2 — винтовая стойка, 3 —червячный редуктор, 4 — электродвигатель, 5 — губки, в —дюза, 7 — нож

Установка ЖК 16.02 для получения дозированных микрошари­ ков из расплава, показанная на рис. 2 1 , работает по следующему принципу. Струю жидкого металла продавливают через отверстие небольшого диаметра в приемную (холодную) жидкость. При ис­ течении струя разбивается на капли, которые под действием сил по­ верхностного натяжения приобретают сферическую форму и засты­ вают. В объеме каждого шарика сохраняется заданный состав сплава.

38

Обычно приемной средой для шариков служит масло ПФМС-4 или ПФМС-2, которое предварительно вакуумируют при давлении 10 ~2 мм рт. ст. и температуре 360° С. Для получения шариков с тем­ пературой плавления до 250° С можно применять жидкость ВКЖ-94.

1

Рис. 21. Установка для получения микрошариков из рас­ плава:

/ —ресивер, 2, 4 и 8 —нагреватели, 3 — конус, 5 и 6 —термо­ пары, 7 —диафрагма, 9 — кварцевый сосуд, 10 — зажим, И — наконечник, 12— сливное отверстие, 13 —трубка

Для работы установки в трубку 13 загружают исходный матери­ ал и расплавляют его с помощью нагревателей 2 и 4. Под действием ультразвуковых колебаний (через конус 5) и под давлением аргона из ресивера 1 происходит выдавливание расплава через отверстия танталовой диафрагмы 7 в кварцевый сосуд 9 с маслом. Заданная

39