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

температура приемной среды поддерживается нагревателем 8 и кон­ тролируется термопарой 6, подключенной к терморегулятору. Тер­ мопара 5 служит для регулировки температуры расплава. По мере наполнения кварцевого сосуда избыток масла сливается через от­ верстие 12. Микрошарики извлекают из резинового наконечника 11> снабженного зажимом 10.

Получение шариков заданного размера зависит от давления в. трубке. Так, шарики диаметром свыше 0,2 мм получают при давле­ нии 1,1—1,4 ат, а более мелкие —от 2,5 до 3,5 ат. Размер отверстия в диафрагме должен быть в 1,5— 2 раза меньше номинального диа­

ала.

Форму и чистоту поверхности шариков проверяют под микроско­ пом МБС-2. Для выборочного (по 20—30 шт. от каждой плавки) контроля диаметра шариков используют малый инструментальный микроскоп. Сортируют шарики с помощью набора сит.

Иногда вместо отдельных шариков применяют электродные вы­ воды с микрошариками на концах, которые изготовляют электроли­ тическим осаждением из безводного электролита. Этим методом осаждают шарики из олова, индия и его сплавов с галлием и кад­ мием.

§ 15. Кассеты для сплавления электронно-дырочных переходов

Основным видом оснастки, применяемой для процессов сплав­ ления, являются кассеты. Кассеты должны изготовляться из мате­ риалов, которые не смачиваются электродным сплавом, не изме­ няют своих размеров и не выделяют вредных примесей при нагреве. Этим требованиям отвечают нержавеющая сталь, рубин, графит и некоторые виды керамики. Однако нержавеющая сталь и керамика имеют ограниченное применение.

Пробки из нержавеющей стали пригодны только после специаль­ ного окисления. Механическая обработка нержавеющей стали, в особенности для получения деталей малых размеров при узких до­ пусках и с высокой чистотой поверхности, является трудоемким процессом и, как правило, из этого материала делают лишь основа­ ния кассет, грузики и другие вспомогательные детали.

Попытки использовать для изготовления кассет керамику также не имели успеха ввиду значительного разброса различных партий материала по коэффициентам усадки.

Эксперименты с рубином показали, что изготовленные из него детали-вставки легко выпадают из стальных гнезд вследствие зна­ чительной разницы в коэффициентах теплового расширения рубина и стали.

Графит легко обрабатывается механическими способами: точе­ нием, фрезерованием, шлифовкой и др. В полупроводниковом произ­ водстве используют графит марок АРВ и МПГ-6 , причем графит второй марки лучше по своим механическим свойствам, но дороже

40

и выпускается в виде заготовок сравнительно малых размеров. Для получения графитовых изделий высокой точности широко применя­ ют оснастку второго порядка (кондукторы, перовые сверла и др.).

Чтобы удалить графитовую пыль, кассеты промывают в кипя­ щей дистиллированной воде, а затем отжигают в вакуумных печах при высокочастотном нагреве до температуры 1500—1700° С.

Недостатками графита являются хрупкость, возникновение пор в результате термического циклирования, уход размеров в процессе эксплуатации и легкость загрязнения. Стойкость графитовых кассет повышают методом упрочнения, который заключается в насыщении поверхности графитовых изделий углеродом за счет разложения ор­ ганических веществ (например, бензин) в вакуумной камере при температуре 1 1 0 0 °С. Следует учитывать, что упрочнение изменяет первоначальные размеры изделий.

§ 16. Сборка деталей электронно-дырочных переходов

При производстве сплавных и сплавно-диффузионных приборов перед процессом сплавления необходимо поместить электродные на­ вески (шарики, диски, кольца) в определенные точки кристалла. Процесс укладки навесок (загрузку сплавов) выполняют двумя ме­ тодами.

При к а с с е т н о м ме т о д е укладку электродов, кристаллов и кристаллодержателей производят, как правило, вручную. При изготовлении сплавно-диффузионных транзисторов эта операция довольно трудоемка из-за малого размера заготовок и высоких тре­ бований к точности укладки.

Многопозиционные кассеты, применяемые для сборки и изготов­ ляемые обычно из графита, состоят из основания и пробок, в кото­ рых размещают кристаллы, навески электродных сплавов и кристаллодержатели. Конструкция кассеты должна обеспечивать соосность электродов; при отклонении от соосности параметры переходов ухудшаются.

На рис. 22 показаны кассеты (в сборе) для изготовления крем­ ниевого и германиевого сплавных транзисторов.

Кремниевые транзисторы получают однократным сплавлением. Кассета (рис. 2 2 , а) имеет графитовое основание 6, на котором уста­ навливают собранные пробки и центрирующие грузики 1 из нержа­ веющей стали. Предварительно спрессованную коллекторную заго­ товку 3 (таблетку) из алюминиевого, молибденового и оловянно­ свинцового сплава загружают в верхнюю пробку 2, а эмиттерную заготовку 7 из алюминиевого и оловянно-свинцового сплавов, а так­ же кольцевой электрод 5 из базового сплава — в нижнюю пробку 8. Таким образом, кристалл 4 кремния располагается между электро­ дными заготовками, заключенными в графитовые пробки. Грузики 1 обеспечивают центровку пробок и кристалла, а также создают необходимое давление на детали. После сплавления кассеты раз­ бирают и извлекают кристаллы с готовыми электронно-дырочны­ ми переходами.

41

Графитовая кассета (рис. 22, б), предназначенная для пайки германиевого кристалла 11 к кристаллодержателю 9, состоит из ос­ нования 6, верхней 2 и нижней 8 пробок. При сборке соосность крис­ талла и кристаллодержателя обеспечивается проточкой на верхней пробке. Также центрируется и кольцо припоя 10. После пайки кас­ сету разбирают и извлекают из нее кристаллы с припаянными кристаЛлодержателями. В кассетах такой конструкции не бывает брака из-за короткого замыкания эмиттерных и базовых электро­ дов.

Рис. 22. Кассеты для изготовления сплавных транзисторов:

няют в основном при изготовлении сплавно-диффузионных прибо­ ров. В качестве кассеты в этом случае, используют графитовую под­ ложку или лодочку, на которую укладывают пластины с загружен­ ными электродами. Так как размеры электродных навесок малы, их укладка, выполняемая к тому же под микроскопом, очень трудо­ емкая операция. Механизировать операцию укладки довольно трудно.

Рассмотрим сборку электронно-дырочных переходов при изго­ товлении сплавных германиевых транзисторов МП13 —МП16 и ГТ108. Для получения эмиттера и коллектора в транзисторах МП13—МП16 применяют навески индия в виде шариков диамет­ ром 400 и 700 мкм, а в транзисторах ГТ108 — электродные заготов­ ки в виде дисков диаметром 300 и 400 мкм.

При работе с шариками используют групповой инструмент (рис. 23), состоящий из нескольких приспособлений и позволяющий выполнять одновременную сборку деталей для 30 переходов Все приспособления выполнены в единой координатной сетке с шагом

6,4 мм.

42

гнезда графитовой кассеты, для чего, насыпав на приспособление кристаллы 3, слегка покачивают его так, чтобы они запали в гнезда. Лишние кристаллы усыпают, а на приспособление накладывают

43

нижний корпус 1 графитовой кассеты, фиксируя его по штифтам и, перевернув сборку, переводят кристаллы в кассету (рис. 23, й и б ) . Затем кассету накрывают верхним корпусом 4 (рис. 23, в), кото­ рый не позволяет выпасть кристаллам из гнезд и служит для загруз­ ки коллекторных шариков через конусные отверстия. Кассету с кри­ сталлами совмещают со вторым приспособлением 5 (рис. 23, виг ) , в каждом отверстии которого находится по одному шарику 6. При смещении заслонки 7, шарики проваливаются на кристаллы. Затем загрузочное приспособление снимают, а кассету помещают в печь и выполняют сплавление (загрузка шариков в отверстия приспособ­ ления 5 основана на том же принципе, что и загрузка кристаллов).

После этого при помощи аналогичного приспособления 8 загру­

кассету раскрывают и переносят кристаллы с р—«-переходами в. металлическую, совмещая и переворачивая кассеты.

Перед пайкой к кристаллодержателям, которая ведется под гру­ зиками 11 (рис. 2 1 , ж), на кристаллы укладывают оловянные кольца припоя, а на них — кристаллодержатели. Собранную из двух частей Ю и 13 металлическую кассету с р—«-переходами 14, кольцами припоя 15 и кристаллодержателями 12 помещают в конвейерную' печь. Загрузку кристаллодержателей ведут на специальном приспо­ соблении с помощью вибробункера.

Для бескассетной загрузки электродов диаметром 0,3 и 0,4 мм была разработана автоматическая установка (рис. 24). Ленту элект­ родного сплава закрепляют в устройстве, обеспечивающем ее пере­ мещение по мере выгрузки заготовок, которая производится обыч­ ным способом при помощи пуансонов и матриц. Заготовки остаются в матрицах и вместе с ними перемещаются на позицию загрузки.. Сюда же вибробункером и специальным устройством подаются кристаллы 5. К кристаллу на позиции загрузки подходят две кару­ сели 3 и 8 с заготовками 4 и 10, расположенными в матрицах, и фторопластовыми выталкивателями 2 и 9, которые одновременно прижимают заготовки к кристаллу. Вследствие поверхностной адге­ зии сплав прилипает к германию, загруженные кристаллы сни­ маются с фиксирующего устройства и укладываются на графито­ вые подложки, а затем поступают в печь, где производится сплавление.

Кристаллы и электродные сплавы, а также металлические дета­ ли установки должны быть совершенно чистыми, что является ос­ новным условием надежного сцепления, эмиттерных и коллекторных; заготовок с кристаллами.

§ 17. Технологический процесс сплавления

Рассмотрим процесс изготовления электронно-дырочных перехо­ дов на примере транзистора П2 1 2 . Сплавление электродов выполня­ ют в три стадии (рис. 25).

44

На первой стадии коллектор (индий — золото — галлий) сплав­ ляют в прямонакальной водородной печи ЖК 40.04. Электродные за­ готовки укладывают по центру кристаллов германия (рис. 25, а) и на графитовой подложке помещают в рабочую зону печи. После продувки рабочего канала печи азотом подают водород, поджигая его на выходе из запальника. В течение 5 мин температуру в рабо­ чей зоне печи доводят до 300° С и выдерживают кристаллы при этой температуре в течение 5 мин. Затем в течение 5 мин доводят темпе-

ратуру в зависимости от толщины кристаллов до 530—550° С и вы­ держивают ее 2 мин. Выключив нагрев, снижают температуру до окружающей, обдувая печь сжатым воздухом.

Прежде чем извлечь подложки с кристаллами печь в соответст­ вии с правилами техники безопасности продувают азотом.

Технологический процесс сплавления можно проводить также в конвейерной водородной установке ЖК 40.07 по режиму, приведен­ ному в табл. 8 .

После разбраковки кристаллов с коллекторными электродами (рис. 25, б) выполняют вторую стадию—-сплавление эмиттера (рис. 25, в иг ) , для чего используют сплав индий — золото и одно­ временно припаивают кристалл к кристаллодержателю, служаще­ му базовым выводом (рис. 25, д). Для пайки базового вывода при­ меняют кольцо из чистого олова.

45

На третьей стадии эмиттерные электроды и базовые выводы сплавляют в графитовых кассетах, которые также используют для сплавления эмиттерного вывода (рис. 25, е). Для этого, не разби­ рая кассет, вставляют вывод, изготовленный из никеля и предвари­ тельно покрытый индием, через отверстие в верхней пробке. Сплавление ведут в конвейерной печи ЖК 40.07 при температуре 430° С в атмосфере водорода. После этого кассеты разгружают и выполняют визуальную разработку переходов.

Сплавление коллектора и эмиттера можно выполнять также в вакуумных термических установках, однако они не производитель­ ны и мало пригодны для серийного производства.

На качество сплавления существенно влияет максимальная тем­ пература нагрева, скорость ее подъема, время выдержки и скорость охлаждения. Для выбора режима необходимо знать температурную зависимость растворимости полупроводника в электродном ма­

разброса кристаллов по толщине. Ровный и плоский фронт сплав­ ления, обеспечивающий максимальный выход годных электронно­ дырочных переходов, получают при ступенчатом подъеме темпера­ туры и быстром охлаждении кристаллов. Обычно режимы сплавле­ ния подбирают опытным путем.

§ 18. Контроль качества сплавления

Оценка качества р — «-переходов сводится к визуальному контролю кристаллов, проверке формы их вольтамперной характе­ ристики и величины статического коэффициента передачи тока Й21Е. Качество сплавления характеризуется также для транзис-

46

торов обратными токами переходов, а для диодов — обратным нап­ ряжением. Обратные токи переходов должны быть как можно меньшими, а обратные напряжения — большими.

При визуальном контроле отбраковывают кристаллы с дефек­ тами, видимыми под микроскопом.

На рис. 26 показаны схемы установок для проверки формы вольтамперной характеристики, измерения статического коэффи­ циента передачи тока и обратных токов эмиттера и коллектора.

При проверке вольтамперной характеристики (рис. 26, а) крис­ таллы с р — «-переходами помещают в контактное приспособление КП и, пользуясь телефонным ключом К, подают напряжение от

КП

Рис. 26. Схемы контроля качества сплавления:

а —• проверки формы вольтамперных характеристик, б —измерения стати­ ческого коэффициента передачи тока транзистора, в и г —измерения об­ ратных коллекторных и эмиттерных токов

источника переменного тока ИПН поочередно на любую пару элек­ тродов (эмиттер — база, коллектор — база или эмиттер — коллектор). В установку входят также блок питания БП и усилители вер­ тикального УВ и горизонтального УГ отклонения.

Вольтамперные характеристики наблюдают на экране электрон­ нолучевой трубки ЭЛ осциллографа (рис. 27). Качественные кристаллы должны иметь прямоугольную характеристику при

при^подаче напряжения на электроды эмиттер — коллектор (рис.

Если вольтамперная характеристика представляет собой вер­ тикальную прямую (рис. 27, в), это свидетельствует о замыкании (соприкосновении) эмиттера и коллектора; причинами такого явления могут быть высокая температура сплавления, значитель-

47

ный разброс кристаллов по толщине или завышение дозы электрод­

замыкание кристаллодержатель — электрод. Такие дефекты испра­

влению не поддаются.

Для измерения величины статического коэффициента передачи тока (см. рис. 26, б) на коллектор транзистора подают нужное

также низкая температура сплавления, т. е. малая глубина сплав­ ления и большое взаимное смещение электродных и коллекторных заготовок. При малой глубине сплавления брак можно исправить повторением процесса при более высокой температуре. Остальные . дефекты неустранимы.

Форму вольтамперной характеристики и величину статического коэффициента передачи тока проверяют, как правило, одновремен­ но.

Обратные токи коллектора и эмиттера транзисторов измеряют, пользуясь схемами, показанными на рис. 26, в и г и не требующими особых пояснений. Эти схемы можно также использовать для оп­ ределения обратных напряжений и токрв диодов.

§ 19. Термическое оборудование для процессов сплавления

Сплавление проводят в установках (печах) с автоматическим ре­ гулированием и поддержанием температуры. Преимущественно ис­ пользуют конвейерные печи, которые по назначению разделяют на низкотемпературные с максимальной температурой нагрева 900° С (для германиевых приборов) и высокотемпературные с максималь­ ной температурой нагрева 1250°С (для кремниевых). Эти печи мо­ гут быть газовые (обычно водородные) и вакуумные. В заводских условиях удобнее газовые конвейерные печи, так как они более про­ изводительны, а также просты и надежны в эксплуатации.

Существует несколько типов конвейерных печей, которые не­ смотря на различную конструкцию построены по одной схеме. Для

48

обеспечения разнообразных температурных режимов печи делают многозонными, что позволяет легче изменять температуру по их длине.

В термических конвейерных установках используют нагреватели сопротивления: прямонакальные, изготовляемые из материалов с высоким электрическим сопротивлением и служащие одновременно рабочими каналами установок, а также косвенного нагрева, напри­ мер проволочные и силитовые, служащие только для нагрева рабо­ чего канала печи.

Скорость движения конвейерной ленты допускает регулировку в широком диапазоне, для чего в конструкциях привода конвейера используют электродвигатели постоянного тока и бесступенчатые вариаторы.

Конвейерная печь, показанная на рис. 28, предназначена для процессов сплавления на германии и кремнии и состоит из металли­ ческого каркаса, термической камеры с рабочим каналом, газовых и водяных коммуникаций, конвейера с механизмом привода, пульта управления и электросилового блока с устройствами для автомати­ ческого регулирования температуры.

Каркас служит основанием установки. Обычно его изготовляют сварным (из стального профиля) в виде отдельных секций, что об­ легчает монтаж. Внутри каркаса расположены приводной и натяж­ ной механизмы конвейера, а также электросиловой блок, а снаружи он закрыт съемными декоративными панелями.

В термической камере находится часть рабочего канала уста­ новки, проволочные нагреватели и термоизолирующий материал. Сверху в камеру введены четыре термопары — датчики системы автоматического регулирования температуры.

Рабочий канал установки — труба прямоугольного сечения, из­ готовленная из жаропрочной стали. Концы трубы несколько изог­ нуты, что позволяет создавать азотную завесу. На этих участках имеются смотровые окна и насадки для выхода водорода. Рабочий канал заканчивается холодильником с проточной водой, служащим для снижения температуры изделий при выходе из печи.

Газовая система установки, питаемая очищенными и осушенны­ ми водородом и азотом, состоит из вентилей, ротаметров, маномет­ ров и соединительных трубопроводов.

Перед запуском установку продувают азотом, чтобы удалить воздух из рабочих каналов, так как смесь водорода с воздухом при содержании водорода от 4 до 75% образует чрезвычайно взрыво­ опасный гремучий газ. После того как воздух будет полностью вы­ теснен из системы, подают водород, поджигая его на выходе из насадок. Азотной продувкой заканчивают также работу на установ­ ке (для удаления водорода). Подавая в систему азот, постепенно прикрывают водород до исчезновения пламени на выходе из наса­ док.

Водяная система установки предназначена для питания холо­ дильника, а также охлаждения некоторых приборов системы авто­ матического регулирования температуры.

49