Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Выращивание цилиндрической части в автоматическом режиме со скоростью 1,5…3 мм/мин. Поскольку уровень расплава в тигле непрерывнопонижается, меняются и тепловые условия в зоне роста, это принципиальныйнедостаток метода. Для его устранения используются все аппаратурные средства:регулирование температуры, скорости вытягивания, подъем и опускание,вращение тигля, держателя затравки и нагревателя. Управление комбинациейэтих воздействий и поиск оптимального режима выполняется с помощью ЭВМ.ж).
Оттяжка на конус и отрыв кристалла. Общий вид кристалла, выращенногопо методу Чохральского (см. рис. 2.28). Несмотря на сложную системууправления, диаметр слитка имеет отклонения, вследствие несовершенствадатчиков и инерционности систем регулирования. Примеры маркировкимонокристаллов по ГОСТ 16153-80: ГЭС 10 (германиевый электронныймонокристалл, легированный сурьмой, ρ=10 Ом⋅см); ГДГ 15 (германиевыйдырочный, легированный галлием, ρ=15 Ом⋅см).Подобно кремнию, Ge характеризуется твердостью и хрупкостью, тоже кристаллизуется в структуре алмаза, химически устойчив при комнатнойтемпературе.
При нагревании свыше 6500С – окисляется, GeO2. Двуокись Geрастворяется в воде, имеет нестабильные свойства и не может служить надежнойзащитой материала при проведении процессов планарной технологии(фотолитографии, локальной диффузии). Германий обладает относительно низкойтемпературой плавления и ничтожно малым давлением насыщенного пара приэтой температуре (т.е. практически не испаряется). Отмеченные обстоятельстваупрощают технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов.Расплавленный Ge не взаимодействует с графитом и кварцевым стеклом (тигли,лодочки для металлургических процессов), в его производстве широкоприменяются методы зонной очистки в графитовых лодочках.
Германий оказалсянепригодным для массового производства ИС (“не вписался” вмикроэлектронику). Дискретные же германиевые диоды и транзисторы, мощныетиристоры имеют преимущества: они отличаются высокими быстродействием иподвижностью носителей.Из Ge были получены монокристаллы с концентрацией примеси10пределчистотыматериала,полученногочеловеком10 …1011 см3––12(относительное содержание примесей 10 ). Такой материал являетсянезаменимым в изготовлении детекторов ядерных излучений. Важнымпотребителем монокристаллов Ge стала ИК-оптика: линзовые оптическиесистемы – обязательная часть конструкций сканирующих ИК-устройств. Хотя впроизводстве фотоприемников преобладает Si, а наиболее перспективнымявляется КРТ, иногда, для диапазона волн 0,8…1,8 мкм например, преимуществаимеют фотоприемники на Ge, легированном различными примесями (Ga, Cu, Ni,Au).
Таким образом, производство германия не сокращается. Рабочий диапазон83температур –60…+700С, а диапазон устойчивой работы приборов еще уже и этоявляется одним из основных недостатков данного материала.Кремний. Если производство Ge составляет десятки тонн, то производство Si –тысячи тонн в год. По распространенности в земной коре (29,5 % по массе) – второе место после кислорода. Наиболее распространенное соединение – SiO2.Производство монокристаллического Si начинается с восстановительной плавкисырья (SiO2) в электропечах при температуре ∼20000С.
Как и при выплавкечугуна, восстановителем является кокс, плавка производится в электропечах:SiO2+C→Si+CO2. Как и техническое железо, продукт содержит порядка 1%примесей, не годится для изготовления полупроводниковых приборов и служитлишь исходным реагентом для дополнительной очистки. Она заканчивается такжеполучением элементарного Si, но уже полупроводниковой чистоты,соответственно возрастает и цена в сотни раз и, несмотря на дешевизну сырья,оказывается на уровне стоимости Ве, V.
Дополнительная очистка включает в себяследующие этапы (по аналогии с отработанной технологией производства Ge): 1)превращение технического Si в легколетучее соединение для очистки, 2) очистка(экстракция, адсорбция, ректификация), 3) восстановление соединенияводородом, 4) окончательная кристаллизационная очистка и выращиваниемонокристаллов.Наибольшее распространение получил метод водородного восстановлениятрихлорсилана (ТХС) SiHCl3 – жидкий продукт с температурой кипения 320С.Последний получают обработкой измельченного технического Si сухимхлористым водородом при температуре 200…3000С: Si+3HCl→SiHCl3+H2.Процесс водородного восстановления осуществляется по схеме (рис. 2.29).
Парыочищенного хлорсилана потоком водорода доставляют от испарителя в камерувосстановления, в которой на токопроводах расположены тонкие стержни –затравки из чистого Si. Стержни нагреваются до температуры 1200…13000С.Осаждение на затравках позволяет получить чистые поликристаллическиестержни нужного диаметра.Кроме ТХС, в качестве исходного сырья, для очистки может бытьтетрахлорсилан (SiCl4) и моносилан SiH4 (газ, разлагающийся при 10000С–пиролиз). Свойства кремния настолько существенно зависят от способаполучения, что особенности технологии данного кристалла отражаются внаименовании марки согласно ГОСТ 19658-81: БКЭ (бестигельный кремнийэлектронный), КДБ (кремний по Чохральскому, дырочный легированный бором),КМЭ (кремний моносилановый электронный).После очистки слитки кремния имеют поликристаллическую структуру, кристаллизационные методы позволяют превратить его в монокристаллический с определенными электрофизическими свойствами.
75% всего производства ведетсяпо методу Чохральского, который обеспечивает кристаллу качества, необходимыедля изготовления БИС и СБИС. Современная установка, для выращивания поЧохральскому, представляет собой высокий (5м) агрегат, включающийпрецизионную кинематическую систему, систему вакуумирования игазораспределения, устройств контроля и управления.
Процесс выращивания848585больших кристаллов продолжается сутки и более. После загрузки тигля игерметизации рабочей камеры, весь технологический цикл находится поднепрерывным контролем автоматических компьютеризированных систем,начинающих действовать после нажатия кнопки включения на пультеуправления. Системы контролируют процессы вакуумирования, расплавления,загрузки, все стадии выращивания монокристалла, охлаждения и извлечения егоиз шлюзовой камеры. Аппаратчик видит на панели все параметры процесса и, вслучае отклонения, немедленно поступает сигнал, позволяющий аппаратчикуизменять параметры процесса в соответствии с рекомендациями компьютера,переходить на ручное управление и начинать его заново.
На мониторе пультаформируется цветное изображение теплового узла ростовой установки, ТВсистемы позволяют наблюдать за ростом кристалла, своевременно обнаружитьдефекты, и, если требуется, сплавить выращенную часть и повторить процесс.Сигнал об изменении диаметра растущего кристалла поступает в САУ установкиот системы автоматического регулирования диаметра (САРД) – см.
рис.2.30.Изменение высоты и формы мениска столбика расплава (см.рис.2.31), определяютизменение диаметра растущего кристалла, поэтому большинство САРД работаютпо оптическому принципу. Первый вариант основан на изменении направленияизлучения от мениска столбика расплава (см.рис.2.31). При изменении диаметракристалла, луч света от мениска отклоняется, что фиксируется чувствительнымфотоэлектрическим датчиком (рис.2.30, б). В другом варианте оптическая САРД спомощью однострочечного твердотельного преобразователя формируетвидеосигнал, характеризующий интенсивность излучения по линии, проходящейпо поверхности расплава через центр столбика. В области окружающего столбикмениска яркость излучения будет больше. Расстояние между пиками кривойвидеосигнала (рис.2.30, в), после соответствующей обработки, служит основойдля выдачи сигнала об отклонении диаметра кристалла от заданного.
Длявыращивания монокристаллов полупроводниковых соединений, содержащих всвоем составе летучие компоненты, кристаллизуемый расплав находится подслоем легкоплавкого флюса (рис.2.30, а), который закрывает мениск. В этихслучаях применяют САРД, работающую по массовому принципу, при этом,растущий кристалл непрерывно взвешивается с помощью чувствительныхтензодатчиков, соединенных с затравкодержателем (рис.
2.30, а). В другихвариантах взвешивают тигель с остатками расплава. САРД обеспечиваетстабилизацию диаметра монокристалла длиной до 2000 мм с точностью ±1,0…1,5мм.В большинстве операций полупроводникового производства используетсябольшое количество водорода (газ – восстановитель, газ – носитель, газ –защитная среда и т.д.), который предварительно очищается простым методом –диффузией через тонкую нагретую мембрану из палладия. Только ионы водородаобладают этой способностью, что обеспечивает идеальную очистку от любыхпримесей, в том числе и типичной – воды. Именно по содержанию воды судят окачестве очистки, точка росы должна быть не хуже – 100…1200С, чтосоответствует содержанию влаги ∼1 мг/м3.
Возможное насыщение86полупроводника водородом не отражается на характеристиках материала,поскольку примесь эта электрически нейтральна. Кремний обладает сравнительновысокой температурой плавления (14140С), уже при температуре свыше 9000С, онна воздухе начинает активно окисляться, легко реагирует с галогенами, а при12000С непосредственно соединяется с азотом (Si3N4), хорошо растворим вметаллах (Аl, Ga, Sn, Ag и др.), с рядом металлов (Сr, Мo, Fe, Cu, Мg и др.)образует соединения – силициды. Силициды тугоплавких и платиновых металлов(ТаSi2, МоSi2, PtSi, Pd2Si и др.) обладают уникальными свойствами, оптимальнымих сочетанием: невысокое сопротивление ρ=(1,5…5)⋅10–7 Ом⋅м, совместимостькак с металлами, так и с кремнием, высокая химическая и термическая стойкость,технологичность.
Их получают различными методами (отжиг предварительнонанесенной металлической пленки, совместное нанесение металла и Siэлектронно–лучевым испарением или ионным распылением, химическоеосаждение из газовой фазы и др.). Силициды широко используются дляизготовления омических контактов, затворов МДП (МОП) транзисторов,коммутационных дорожек шириной меньше 1 мкм. Именно силициды наиболееперспективный материал для СБИС нового поколения.
В результате реакции Si суглеродом образуется карбид SiC, последний, как и нитрид Si3N4 – устойчивоехимическое соединение. Поэтому возникают большие трудности с подборомматериалов для тиглей и нагревателей; для процесса вытягивания монокристаллахарактерно создание атмосферы инертного газа в камере или вакуума. Главныйнедостаток метода – загрязнение кристаллов, источником которого служитразмягченный кварцевый тигель: SiO2(тв)+Si(ж)→2SiO(газ). Растворение кварцавызывает не только насыщение расплава кислородом (1017…1018 см–3), но изагрязнение примесями кварцевого стекла. В качестве легирующих примесейчаще используется фосфор (кристалл КЭФ) и бор (КДБ), величина ρ порядка 2,5Ом⋅м.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
