Диссертация (Физико-технологические основы и пути совершенствования технологии получения кристаллов сапфира для электронной техники), страница 6

Таким образом, исследуется воздействие разных условий теплового отвода от фронта кристаллизации на скорость изменения размеров зоны, находящейся в твердом состоянии. При этом температура на межфазной границе принимается равной температуре их равновесия, фронт кристаллизации рассматривается непрерывным и единым, а вероятность возникновения кристаллов в объеме расплава не учитывается.Вся проблема в данной постановке рассматривается как задача математическойтеории теплопроводности (задача Стефана [11]).Второе направление в теоретических исследованиях кристаллизации ограничивается изучением собственно кинетики процесса.

Данное направление основывается на понятиях скорости зарождения и скорости роста кристаллов. Используемые математические модели характеризуют процесс образования и роста поликристаллов в объеме переохлажденного расплава.В последнее время получены некоторые результаты в динамике представлений о механизмах кристаллообразования, морфологической устойчивости фронтакристаллизации, потоков тепла, роли примесей и других факторов в формированиикристаллических материалов.

Тем не менее, первостепенной задачей является по30лучение функциональных характеристик параметров выращиваемого кристалла отусловий его формирования, что влияет на решение проблемы роста кристаллических материалов с заранее определенными свойствами. Для решения данной проблемы необходим анализ процессов и структуры среды, из которой получают монокристаллические материалы. Важным этапом является также создание математического и информационного обеспечения процесса получения изделий из монокристаллического сапфира.На практике в процессе получения монокристаллов сапфира нередко возникают ситуации, когда знание о поведении скорости кристаллизации сапфира позволило бы при наблюдении за фронтом кристаллизации скорректировать программу роста кристаллов.

Обладая информацией о поведении фронта, можно обеспечить получение кристаллов высокого качества. Такие рекомендации можно выработать на основании не только ростового, но и модельного экспериментов.В настоящее время влияние параметров роста и обработки сапфира на качество кристаллов, особенно в условиях их промышленного производства, изученонедостаточно. В связи с этим возникает необходимость в детальных исследованияхпо данным вопросам, что и определяет актуальность решения данной задачи.1.1.1 Сравнительный анализ существующих подложек для созданияприборов микроэлектроникиВ настоящее время материалы стали главным звеном и базой для созданияизделий микроэлектроники.

В пленочных интегральных микросхемах элементыполучают осаждением пленок на диэлектрические подложки, которые служат механическим основанием, на поверхности которого формируют структуры интегральных микросхем по заданному топологическому рисунку.Материал подложки должен обладать высоким поверхностным и удельнымсопротивлением, высокой теплопроводностью, что дает возможность отводитьтепло от микросхемы.

Малая величина диэлектрической потери подложки уменьшает потери энергии за счет поглощения в диэлектрике. Согласование коэффици31ентов линейного расширения подложки и пленки снижает механические напряжения в пленках и сокращает вероятность появления в них микротрещин [1-15]. Механическая прочность подложек облегчает механическую обработку подложек(для получения требуемой формы и размеров, а также создания отверстий в них).Подложки должны обладать достаточной термостойкостью при пайке и сварке.Материал подложки должен иметь высокую адгезию осаждаемых к ней пленок.Тенденция развития в настоящее время в применении следующих материалов для изготовления подложек в микроэлектронике: стекла, керамика, ситаллы,сапфир [16].

В таблице приведены характеристики диэлектрических материалов посравнению с другими материалами [16].Таблица 1.2 – Сравнительный анализ сапфировых подложек с подложками издругих материалов для микроэлектроникиМатериалУдельное Диэл.сопропост.тивление, (ɛ)Ом·мДиэлектри- Теплопроческие по- водность,тери на ча- кал./см·с·oCстоте 106 ГцСапфирКварцевое стеклоСиталлыАлюмоокиднаякерамика типа«Поликор»Боросиликатноестекло101110160,00020,000380,00550,0036Коэффициент линейногорасширения,10-6/0С50,56 – 0,61013 – 1014 6,5101410,80,0060,00020,005 – 0,0090,075 – 0,0857,5 – 7,81070,00620,00273,258,644,6Исходя из таблицы 1.2 и сравнивая по технико-физическим свойствам материалы, можно сделать вывод, что сапфир обладает хорошими свойствами диэлектрика по сравнению с другими материалами микроэлектроники. Сапфир являетсяодним из главных материалов в оптических системах, в которых важным требованием является устойчивость к механическим воздействиям, температурам, излучению.

Для таких применений используются сапфировые линзы, призмы, световоды,элементы лазеров.32Сапфировые подложки – материал для изготовления радиационностойкихмикросхем, используемых в атомной промышленности и космосе. Также сапфирнаходит свое применение для изготовления подложек светодиодов высокой яркости. Сапфировые подложки используются при производстве жидкокристаллических панелей для мониторов и телевизоров, мобильных устройств, телекоммуникационного оборудования, солнечных панелей.Таким образом, одним из перспективных материалов для подложек интегральных схем является сапфир. Невзирая на различные методы выращиваниясапфира, монокристаллы сапфира имеют одинаковые физико-химические свойства.

Однако полученные разными методами кристаллы сапфира обладают различными техническими характеристиками, необходимыми для применения в микроэлектронике.Результаты сравнительного анализа технических характеристик монокристаллов сапфира, выращенных различными методами, представлены в таблице 1.3.Таблица 1.3 – Характеристики монокристаллов сапфира при различных способах выращиванияПоказателиОптическаяоднородностьПлотность дефектовСкорость кристаллизацииВнутренниенапряженияКонфигурациявыращенногоматериалаГНКВернейльЧохральскийКиропулосаВысокаяСредняяВысокаяСредняяНизкаяВысокаяНизкаяСредняяВысокаяСредняяНизкаяНизкаяСредняяВысокиеНизкиеВысокиеСредниеСредниеВысокиеПластиныБули, полубулиБулиЛенты,профильныйБулиСтепановСредняяНе тре- ТребуетТребуетсяТребуетсяТребуетсябуетсясяИсходя из таблицы 1.3, перспективным представляется получение кристалловОтжигсапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации, позволяющим33получать кристаллы высокого структурного качества без высокотемпературногоотжига, что важно при получении подложек микроэлектроники.При создании интегральных микросхем высокие требования предъявляются ккачеству поверхности, учитывается класс чистоты обработки поверхности подложки, поскольку качество поверхностного слоя подложек значительно влияет наструктурное совершенство эпитаксиального слоя.

Поэтому поверхность подложекшлифуют и полируют. Для каждого материала существует примерный диапазонвозможных значений шероховатости поверхности в зависимости от вида обработки (таблица 1.4). При любом методе обработке поверхности для улучшения структурного качества подложки необходимо своевременно обнаруживать дефекты, появляющиеся в процессе обработки, рассматривать необходимость дальнейшей обработки, что позволит увеличить рентабильность производства подложек микроэлектроники.Таблица 1.4 – Диапазон возможных значений шероховатости поверхности, нм,при разных видах обработки подложки [17]МатериалШлифованнаяповерхность(9-10 класс)Полированнаяповерхность(14 класс)Al2O3 99,6%203 – 381BeOAlNSiO2Сапфир508 – 762381 – 635178 – 305254 – 508Менее 2551 – 10251 – 10038Менее 25В качестве примера применения сапфировой подложки приведена интегральная схема [18].

Паразитные емкости между отдельными элементами и емкостимежду элементами и подложкой уменьшают быстродействие интегральных схем.Эти емкости возможно значительно уменьшить заменой полупроводниковой подложки на диэлектрическую, например, сапфировую. На сапфировой подложке (рисунок 1.7) выращивается эпитаксиальный слой n-кремния толщиной 1 – 3 мкм.“Островки” создаются локальным травлением кремния до сапфировой подложки.34В островках создаются транзисторные структуры.

После этого воздушные зазорымежду островками заполняются изолирующим поликристаллическим кремнием, наповерхности которого создаются соединения элементов схемы.Рисунок 1.7 – Интегральная схема на сапфировой подложкеЕще один пример использования сапфировой подложки приведен на рисунке1.8 [19].Рисунок 1.8 – Приборы на основе слоев кремний на сапфиреВ качестве примера применения сапфировой подложки можно рассмотретьдатчик давления [20] с повышенными эксплуатационными характеристиками,представленный на рисунке 1.9.35Рисунок 1.9 – Датчик давления: 1 – чувствительный элемент на основе структур кремний на сапфире, 2 – чашка с отверстием D, 3 – полость, 4 – корпус,5 – крышка, 6 – мембрана, 7 – металлизированные токоведущие дорожки, 8 – паяное соединение, 9 – отверстие с диаметром D, 10, 11 – надмембранная и подмебранная полости, 12 – эластичный компаундОдной из областей применения сапфировой подложки является использованиеее в качестве подложки для газового датчика.

Исследования, представленные в работе [21], показали, что в случае применения в качестве подложки для газовогодатчика сапфира, в отличие от различных типов оптического стекла, не было выявлено разрушения пленок при получении пленки путем лазерного отжига.

Отжигпленок на подложке из тугоплавкого материала (сапфир, кварц) лазерным излучением позволяет избежать размягчения подложки, а, значит, разрушения пленки.Следовательно, при получении пленок на поверхности сапфира высокопроизводительным методом лазерного отжига рекомендуется применять в качестве подложектугоплавкие материалы такие, как сапфир.Сапфировые подложки используются также для эпитаксиального роста, который широко используется в нанотехнологиях и производстве полупроводниковыхприборов для создания слоёв полупроводниковых материалов с высоким кристаллическим качеством, таких как кремний, германий, нитрид галлия, арсенид галлия36и фосфид индия.

Однако существуют определенные технологические барьеры получения эпитаксиальных пленок на поверхности кремния по сравнению с сапфировой подложкой [22].Таблица 1.5 – Технологические барьеры получения эпитаксиальных пленокнитрида галлия на поверхности кремния по сравнению с сапфиром [22]РазностьПоглощениеметров кристал- фициенте терми- плавлениеподложкойлической решет- ческогоголубогокиВлияниепара- Разность в коэф- Вторичноерасши-ренияцветаЭпитаксиальный Изгиб пластины: ЭпитаксияСлабаядефектнеравномерность, затрудненатоваярастрескиваниесиясвеэмис-слояСапфир14 %22 %НетНетКремний17 %33 %ЕстьДаДля удобства позиционирования сапфировые подложки снабжают одной илидвумя дополнительными (маркировочными) боковыми плоскостями (рисунок1.10).

С-плоскость применяют для нанесения CdS, CdSe, GaN, SiC, InAlGaN и других, а также для эпитаксии пленок ряда оксидов (TiO2, ZnO и других). A-плоскостьприменяют для изготовления гибридных микросхем, приборов с высокотемпературной сверхпроводимостью, нанесения Co, Fe и других. R-плоскость применяютдля гетероэпитаксиального нанесения TiO2, MgO, α-ZnO, Si [23-24].37Рисунок 1.10 – Взаимное расположение базовых и дополнительных плоскостей сапфировой подложкиТаким образом, сапфировые подложки являются базой при производстве светодиодов высокой яркости, СВЧ-интегральных схем, оптических устройств.

Получение сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации являетсяодним из самых перспективных методов получения сапфира для подложек микроэлектроники. Для создания оптических и электронных приборов высокого качествана основе сапфира необходимо оптимизировать процесс его получения, уменьшитьсодержание дефектов в кристаллах, обеспечить получение поверхности сапфира стребуемым уровнем шероховатости, что позволит укрепить отечественную промышленность производства электронных материалов, ускорит развитие высокочастотных интегральных схем и светодиодной техники в России.381.2 Анализ существующих методов получения монокристаллов сапфираВ настоящее время существует довольно много методов получения монокристаллического сапфира [12-15].