Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

При групповом способе изготовления некоторых приборов сплавлением на большой площади используют тонкую (40— 50 мкм) фольгу алюминия, вырезаемую по всему диаметру пла­ стин (20—40 мм).

Широко применяют способ вакуумного напыления электродных материалов в виде пленок толщиной от единиц до десятков микрон. Данный способ весьма производителен и позволяет наносить слой металла на большие площади. Он также позволяет применять раз­ личные трафареты для защиты той части поверхности, куда попа­ дание металла нежелательно. Напыленные слои позволяют улуч­ шить смачивание и равномерность фронта сплавления. На крем­ ниевых пластинах используют алюминий, на германиевых — индий.

Загрузка кассет для сплавления. При проведении сплавления детали полупроводниковой структуры механически соединяют ме­

врезиновых перчатках или напалечниках. Все вспомога­

тельные приспособления, используемые при сборке, проти­ рают спиртом. Материал кассет должен удовлетворять следу­ ющим требованиям:

1)не смачиваться электродными сплавами при сплавлении;

2)при высоких температурах не окисляться и не выделять ле­ тучих компонентов;

3)не содержать примесей, которые могут диффундировать при высокой температуре в германий или кремний;

5)легко подвергаться механической обработке.

Вбольшей степени этим требованиям отвечает графит. Графи­ товые кассеты имеют разнообразные конструкции, одна из которых приведена на рис. 4.6. Кассета состоит из корпуса 1, нижней проб­ ки 2 и верхней пробки 3. На одном торце в кассете имеется углуб­ ление для термопары, контролирующей температуру при сплавле­

нии. Снизу кассета имеет отверстия под съемник 4, облегчающий

105

загрузку и разгрузку кассет. Рассмотрим порядок загрузки кассеты для сплавного транзистора.

Кассету помещают на съемник. В отверстия кассеты вставляют нижние (коллекторные) пробки, в отверстия которых пинцетом по­ мещают дозированные цилиндрики коллекторного сплава. На кол­ лекторные пробки кладут кристаллы, на кристаллы—кольца из базового сплава, а на них — кристаллодержатели. Поднимая кас­ сету над съемником, опускают коллекторные пробки в глубь кассе­ ты. В отверстия кассеты вставляют верхние (эмиттерные) пробки, через сквозные отверстия которых загружают электроды эмиттера.

Сборку мощных транзисторов, имеющих электроды в форме дисков больших диаметров, производят более просто. Диски поме­ щают в отверстия коллекторных пробок и уплотняют оправкой.

Затем в кассету вставляют

3поочередно коллекторные пробки, кристаллы, базовые электроды и эмиттерные пробки, загрузка которых аналогична загрузке коллек­ торных пробок.

Недостатком графито­ вых кассет является то, что они обладают плохой тепло­ проводностью и легко под­ даются повреждениям. Гра­ фитовый порошок, попадаю­

щий на отдельные участки поверхности сплавления, загрязняет их и препятству-

ет смачиванию. Кассеты из нержавеющей стали не имеют этих недостатков, но могут смачиваться вплавляемым материалом. Для предотвращения смачивания эти кассеты окисляют в увлажненном

солях.

Отработка режима сплавления. Параметрами режима сплавле­ ния являются максимальная температура нагрева, скорость уве­ личения температуры, длительность времени выдержки при опре­ деленной температуре и скорость охлаждения.

Максимальную температуру определяют с помощью диаграм­ мы состояния сплавляемых элементов исходя из условия доста­ точной растворимости в жидкой и твердой фазах. Для того чтобы колебания температуры не сильно сказывались на глубине сплавления, рекомендуются' температуры, при которых линия лик­ видуса имеет наибольший наклон. Для лучшего смачивания температура сплавления нужна по возможности выше. Эти требова­ ния противоречивы для системы индий — германий, поэтому экспе­ риментальным путем определяют оптимальную температуру, соот­ ветствующую данному сочетанию. Для германиевых приборов мак­

106

симальная температура колеблется в пределах от 500 до 700° С, для кремниевых — от 700 до 1000° С.

Режим сплавления должен обеспечить ровный и плоский фронт сплавления. Форма фронта сплавления зависит от скорости подъема и спада температуры. При нагреве со скоростью менее 50 град/мин электродный сплав успевает равномерно смочить по­ верхность кристалла, но фронт сплавления получается сфериче­ ским, благодаря имеющемуся температурному градиенту от центра сплавляемого электрода к краям. При быстром росте температуры не все участки кристалла оказываются равномерно смоченными электродным сплавом; причем на хорошо смоченных участках сплав проплавляется глубже, чем на плохо смоченных. Оптималь­ ным является ступенчатый подъем температуры. Вначале темпера­ туру повышают до значения, на 100—150°С превышающего темпе­ ратуру плавления электродного сплава. Затем делают выдержку, во время которой происходит смачивание поверхности кристалла сплавом. Установление равновесного угла смачивания требует 5—10 мин. Во время этой выдержки проплавления не происходит, так как температура еще мала. После выдержки температуру быст­ ро повышают до максимальной, а затем снова делают выдержку от 1 до 10 мин.

При ступенчатом нагреве фронт сплавления получается плос­ ким и ровным. Суммарное время нагрева в процессе сплавления необходимо выбирать так, чтобы при сплавлении достигалось рав­ новесное состояние в течение 15 мин.

Скорость охлаждения влияет в первую очередь на геометрию р-п-перехода. При охлаждении со скоростью около 20 град/мин происходит равномерный рост рекристаллизованного слоя полупро­ водника. При наличии градиента температуры от центра расплава к периферии возникает сферический фронт сплавления. При быст­ ром охлаждении (свыше 100 град/мин) получается рекристаллизованный слой с большим содержанием примеси. Однако быстрое охлаждение не всегда возможно. Например, на кристаллах крем­ ния с электродами из алюминия при быстром охлаждении проис­ ходит растрескивание, вследствие различия в коэффициентах тер­ мического расширения.

Сплавление эмиттерных, базовых и коллекторных контактов ста­ раются производить одновременно, так как уменьшение числа тер­ мических операций способствует получению приборов высокого качества. Если это невозможно, то осуществляют раздельное сплав­ ление. Во избежание разброса параметров изготавливаемых при­ боров кассета с деталями структуры при сплавлении должна нахо­ диться в зоне с однородным распределением температуры.

Как уже отмечалось, для каждого конкретного типа приборов отработку режима сплавления производят экспериментальным путем.

Установки для сплавления. При температурах сплавления 500—1000° С кристаллы и электродные материалы на воздухе окис­ ляются. Поэтому процесс сплавления производят в вакууме, в вос-

. 107

становительной (водород) или нейтральной (аргон, гелий) средах. Качественные p-п-переходы при сплавлении германия с индием получают в атмосфере чистого водорода. Сплавление кремниевых р-п-переходов производят в вакууме и чистом аргоне. Атмосфера чистого водорода не всегда дает хорошие результаты для кремния. При работе с водородом следует учитывать его способность обра­ зовывать взрывчатые смеси с кислородом, серой, фосфором и хлором.

Для проведения процессов сплавления выпускают печи периоди­ ческого действия и конвейерные, оба типа — прямонакальные, с ра­ диационным нагревом, а также печи высокочастотного нагрева.

На рис. 4.7 изображена схема прямонакальной печи периоди­

распределение температуры вдоль нагревателя, программное регули­ рование температуры, высокую надежность и большой срок служ­ бы. Однако вследствие некоторой инерционности и возможности загрязнения трубы при высоких температурах она не всегда удов­ летворяет требованиям полупроводникового производства.

На рис. 4.8 показана схема прямонакальной конвейерной печи. Кассета с элементами структуры в течение рабочего процесса дви­ жется на конвейерной ленте 1, проходя последовательно зоны на­ грева, выдержки и охлаждения. Основными блоками печи являют­ ся нагреватель 2, малый и большой холодильники 3, системы регу­ лирования и питания. Холодильники, охлаждаемые водой, дают возможность регулировать режим охлаждения при движении кассе­ ты через эти участки. Конвейер состоит из ленты 1, которая пере­ двигается в нижней части рабочего пространства, устройства натя­ га ленты и привода. Наклонный вход и выход 4 из печи позволяют

108

обеспечить атмосферу чистого водорода в рабочей зоне и так на­ зываемый беспламенный путь кассет, потому что на концах наклон­ ных камер подается азот, образующий газовую завесу, ниже ко­ торой водород не проходит.

Вряде случаев сплавление проводят в вакуумных установках

свысокочастотным индукционным нагревом. Такая установка

имеет кварцевый колпак диаметром 10—15 см, который после от­ качки силой атмосферного давления прижимается к резиновому уплотнению. Вокруг колпака размещается спиральный индуктор, питаемый от ВЧ-генератора. Элементы структуры помещают в гра­ фитовые кассеты, находящиеся в зоне, охватываемой индуктором. Рабочее давление составляет около 10-5 мм рт. ст., что обеспечи­ вает высокую чистоту при сплавлении. Однако вследствие скин-эф­ фекта нагрев кассет происходит неравномерно.

§ 4.3. Расчеты при сплавлении

Расчет глубины вплавления. Глубиной вплавления электрода в полупроводник или глубиной залегания сплавного р-п-перехода называют расстояние от границы раздела сплав — поверхность по­

зависит от веса электродной капли, площади контакта и раство­ римости полупроводника при температуре сплавления.

Из определения растворимости полупроводника в жидкой фазе

где Ра— весовое количество полупроводникового материала в рас­ плаве;

Р м —весовое количество электродного материала (металла).

109