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

Достоинством метода является возможность использования токсичных примесей без специальных защитных устройств, а недос­ татками — большая трудоемкость подготовительных работ, высокая

ветствии со схемами, показанными на рис. 34. Рабочим каналом установки служит труба из переплавленного кварца, имеющая на входной стороне шлиф. Трубу помещают в печь. При нагреве диффузант испаряется, попадает на пластины полупроводника и диф­ фундирует в них. В зависимости от источника примеси процесс про­ водят как при постоянной, так и переменной температуре. Источни­ ки диффузии могут быть в жидком, газообразном и твердом состоянии.

Этим методом осуществляют диффузию фосфора, бора, мышья­ ка, сурьмы и галлия в германий и кремний.

Источником фосфора обычно служит фосфорный ангидрид (Р2О5). В результате взаимодействия с кремнием образуются эле­ ментарный фосфор и окись кремния. Продукты реакции создают на поверхности пластин стекловидный слой фосфоросиликатов, из которого и происходит диффузия. Этот слой предохраняет кремний от эрозии и испарения, а также связывает вредные металлические примеси.

При работе с токсичными веществами (фосфором и сурьмой) продукты диффузионного процесса, покидающие систему, должны

кварцевые ампулы, вставленные друг в друга открытыми концами, уплотненные шлифом или платиновой прокладкой 4. Камера долж­ на быть закрыта так, чтобы не было большой утечки паров приме­ си; в то же время она не является герметичной, что обеспечивает поступление кислорода и удаление влаги.

Окисная пленка на поверхности полупроводниковых пластин 3 при нагреве адсорбирует газообразную примесь. В качестве источ­ ника диффузии при работе с кремнием обычно используют смесь, состоящую из диффузанта 5 и кремния.

§ 23. Контроль качества диффузионных слоев и окисных пленок

Проверяют результаты диффузии при изготовлении электронно­ дырочных переходов обычно на контрольных пластинах. Для конт­ роля соответствия фактических параметров прибора расчетным необходимо знать концентрацию носителей зарядов в диффузион­ ных слоях, т. е. определить характеристики диффузионного слоя; его удельное сопротивление (после загонки диффузанта) и глуби­ ну залегания р —•п-перехода.

60

где и — напряжение между средними зондами; I — сила тока, про ходящего через крайние зонды; — расстояние между зондами.

Измерения выполняют на специальной установке (рис. 36). Ток / батареи Е подводят к пластине через крайние зон­ ды 1 и 4 и устанавливают по миллиамперметру тА при по­ мощи переменного резистора 7?. Напряжение и между зон­ дами 2 и 3 измеряют потенцио­ метром ПТ. Зонды укреплены в специальном держателе та­ ким образом, чтобы обеспечи-

ми косого и сферического шлифов, применение которых позволяет более четко выявить залегание диффузионных слоев на сошлифованной поверхности полупроводниковой пластины (рис. 37). Пер­ вый метод обычно применяют, когда диффузионные слои имеют толщину свыше 15—20 мкм, а второй — при меньших толщинах. Метод косого шлифа, хотя и является более простым, но дает не­ значительную точность, а получение сферических шлифов — трудо­ емкая операция. Для шлифования используют абразивную суспен­ зию или алмазные пасты.

61

62

Рис. 38. Микроскопы:

g, - МИМ-7, 6 —МИИ-4

рис. 37, в) и пользуются формулой

2 2

где XI — половина длины хорды (по делениям шкалы микроскопа МИМ-7); К — масштаб увеличения; (¿' — диаметр шарика шлифовальника.

Положение хорды, которая является одновременно касательной к внутренней концентрической окружности, видимой в микроскоп, ясно из рис. 37, б. Эта окружность определяет нижнюю границу диффузионного слоя.

Для большей точности обычно делают несколько (3—5) заме­ ров в различных частях пластины. В качестве окончательного ре­ зультата берут среднее арифметическое значение.

например, микроскопом МИМ-4 (см. рис. 38, б). Расчеты ведут по

формуле

/ = 0,27#,

где ¿ — толщина пленки, мкм; N — количество красных интерфе­ ренционных полос; 0,27 — высота неровностей контролируемой по­ верхности, соответствующая искривлению в одну интерференцион­ ную полосу, мкм.

Например, при четырех-пяти полосах толщина окисного слоя на кремниевых пластинах составляет 1-—1,3 мкм.

Кроме того, для определения толщины окисного слоя использу­ ют другие методы, например эллипсометрический или отражения поляризованного луча. Однако они не нашли широкого примене­ ния.

§ 24. Оборудование для контроля качества диффузионных слоев

Ко с ые шл и фы получают при помощи приспособления ЖК 20.333, показанного на рис. 39, а. Исследуемую пластину полу­ проводника 3 приклеивают стороной без диффузионного или окис­ ного слоя к оправке 2, скошенной под заданным углом к основа­ нию 1. Оправку закрепляют винтом и приспособление устанавли­ вают на шлифовальник станка ЖК 14.09. Подав абразивную сус­ пензию, включают шлифовальник . и обрабатывают пластину. Заданный угол сошлифовки выдерживается автоматически. Затем, сняв приспособление, промывают пластину и отклеивают ее с оправки.

стальной шарик 5, удерживаемый на шпинделе притяжением маг­ нита. Обрабатываемую пластину закрепляют на держателе 4, кото­ рый может находиться в двух положениях; рабочем, когда пласти-

64

на опирается на шарик, и свободном. Наклеивают пластины на столик пчелиным воском, для разогрева и охлаждения которого на установке имеется малогабаритная электроплитка 9 и специаль­ ный холодильник 8. Пластину устанавливают относительно шари­ ка в нужное положение перемещением держателя по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью винтов 6 в 7 мани­ пулятора. Глубину шлифовки определяют по числу оборотов ша­ рика, регистрируемых счетчиком.

Рис. 39. Приспособления для из­ готовления шлифов:

После включения установки разогревают столик, наносят на него воск, укладывают пластину и легким нажатием выдавливают излишек воска. Охладив место склейки, устанавливают столик в рабочее положение. Смачивают шарик суспензией, состоящей из карбида кремния и воды в, отношении 1 :3 и, включив электродви­ гатель, выполняют шлифовку, контролируя число оборотов по счет­ чику.

П р о в е р к у у д е л ь н о г о с о п р о т и в л е н и я диффузионно­ го слоя, эпитаксиальных пленок, а также измерение поверхностной концентрации примесей, выполняют на установке ЖК 78.13. (рис. 40, а) четырехзондовым методом. Установка состоит из двух частей: манипулятора и электрического блока.

Манипулятор, предназначенный для закрепления образца и соз­ дания контакта с зондами, состоит из подставки с препаратоводителем, четырехзондовой головки и механизма ее перемещения. Рас­ стояние между соседними зондами головки 250 мкм.

Электрический блок заключен в металлический кожух, перед­ няя панель которого, несущая измерительные приборы и ручки

управления, наклонная.

Электрическая схема установки показана на рис. 40, б. При включенном тумблере В1 через штепсельные разъемы Ш1 и Ш2 на первичную обмотку трансформатора Тр подается напряжение.

Рис. 40. Установка ЖК 78.13 для измерения удельного сопро­ тивления:

66

3*

Рис. 40. (Продолжение)

общий вид, б —электрическая схема

Трансформатор и полупроводниковые диоды Д образуют выпря­ митель; роль фильтра играет электролитический конденсатор С. Выпрямленное напряжение равно 40 В. Транзистор Т является генератором; ток эмиттера задается батареей Б1 'и регулируется резисторами Я2 и ЯЗ. Питание токовых зондов 1 и 4 головки мани­ пулятора производится также от батареи. Для измерения тока слу­ жит микроамперметр рА, параллельно которому для расширения рабочих пределов включены шунты Я4, Я5 и Я6, а также переклю­ чатель В5. Клеммы К1 и К2 предназначены для подключения вы­ носного прибора.

Высокоомный потенциометр постоянного тока ПП регистрирует потенциал, снимаемый через разъемы Ш6 — Ш9 и колодку КЗ с зондов 2 и 3 головки манипулятора. Потенциометр и батарею Б1

(имеющему постоянную э. д. с.) элементу Б4. Тумблером ВЗ мож­ но менять полярность измеряемого напряжения, а тумблером В2 — полярность тока, пропускаемого через образец.

Чтобы определить удельное сопротивление диффузионного слоя, выполняют следующие операции:

устанавливают испытуемую пластину на столик манипулятора и закрепляют ее лапками;

включают установку и проверяют рабочий ток потенциометра по нормальному элементу (при максимальной чувствительности гальванометра);

рукояткой манипулятора опускают зонды на поверхность об­ разца;

пользуясь микроамперметром, определяют ток, протекающий через крайние зонды;

при помощи потенциометра измеряют падение напряжения на средних зондах (эта величина, выраженная в милливольтах, чис­ ленно равна удельному сопротивлению полупроводника в данной области пластины и измеряется в ОМ • см);

подняв головку с зондами, перемещают пластину при помощи препаратоводителя и повторяют измерения.

§ 25. Планарная технология изготовления полупроводниковых приборов

В настоящее время наиболее совершенной и перспективной технологией изготовления полупроводниковых приборов является планарная технология, обеспечивающая высокую надежность и стабильность параметров приборов, а также воспроизводимость, массовость и универсальность производственных процессов.

Планарная технология основана на групповом методе создания на поверхности полупроводниковых пластин диодных или транзи­ сторных структур, защищенных окисной пленкой. Кроме того, пла­ нарные процессы базируются на комплексе типовых и универсаль­

68

ных операций, к которым относятся обработка материалов,созда­ ние невыпрямляющих контактов, присоединение выводов, защита электронно-дырочных переходов и герметизация. По этой техноло­ гии можно изготовлять как кремниевые, так и германиевые прибо­ ры. Групповые приемы позволяют получать на одной полупровод­ никовой пластине сотни диодных или транзисторных структур.

Рассмотрим основные технологические операции изготовления германиевого сверхвысокочастотного транзистора небольшой мощ­ ности (рис. 41).

Рис. 41. Технология изготовления планарного германиевого сверх­ высокочастотного транзистора:

Исходным материалом для получения прибора служит герма­ ний электронного типа проводимости (рис. 41, а). На изготовлен­ ные пластины вначале осаждают пленку двуокиси кремния (рис. 41, б). Эту операцию проводят в установке пиролитического разложения этилсиликата. Так как окисная пленка необходима лишь с одной стороны пластины, с другой стороны ее удаляют.

На двуокись кремния наносят слой светочувствительного веще­ ства (фоторезиста), поверх которого укладывают фотошаблон (рис. 41, в). Не закрытые шаблоном участки фоторезиста засвечи­

69