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

имеет минимум, который обусловлен влиянием обоих рассмотрен­ ных факторов.

Графики рис. 4.13 можно использовать для определения значе­ ний поверхностной концентрации атомов фосфора, при которой после вплавления алюминия в кремний, содержащий диффузионный

§ 4.4. Дефекты, возникаю­ щие в р-я-переходах при сплавлении

В р-я-переходах, полу­ чаемых методом сплавления,

2) термомеханические напряжения и как следствие образование

.дислокаций и трещин.

Несмоченные участки. Исследование p-я-переходов показало, что несмоченные участки являются следствием механических за­ грязнений, имеющихся на поверхности полупроводника или сплава- и препятствующих их контакту, или адсорбции молекул газа полу­ проводником.

При тщательном соблюдении технологической гигиены можно избежать механических загрязнений, однако это не исключает пол­ ностью наличия несмоченных участков.

При сплавлении германия с индием было установлено, что если германий содержит малую плотность дислокаций, то несмоченные места отсутствуют, и фронт сплавления получается ровным на пло­ щадях порядка 5 мм2. Реально используемый германий содержит

120

значительное количество дислокаций, что является одной из причин плохого смачивания, так как в местах выхода дислокаций на по­ верхность германия созданы условия для удержания газовых вклю­

чений.

Помимо дислокаций, имеющихся в. исходном материале и ос­ тающихся в рекристаллизованной области вследствие ориентацион­ ного характера кристаллизации, на границе фронта сплавления могут возникать новые скопления дислокаций. Это обусловлено тем, что при рекристаллизации в решетку полупроводника внедря­ ются атомы легирующего материала (как правило, в больших концентрациях), атомные радиусы которых отличаются от атом­ ных радиусов узловых атомов кристалла. Это вносит напряжения в кристаллическую решетку, под влиянием которых могут возни­

кать дислокации.

Смачивание можно улучшить, если применять флюс, раскис­ ляющий поверхностные окислы и уменьшающий величину поверх­ ностного натяжения на границе жидкий сплав—полупроводник. Продукты взаимодействия флюса с электродной каплей должны быть инертны и легко удаляться после сплавления или во время него. Для сплавления индия с германием иногда применяют хло­ ристый цинк. При сплавлении олова и свинца с кремнием в каче­ стве флюса используют или фтористый цезий, или гидрид титана. Эти же флюсы можно использовать для сплавления с другими элементами.

Другим способом уменьшения поверхностного натяжения яв­ ляется добавка присадочных элементов в электродную каплю или напыление на полупроводник тонкого слоя металла, по которому капля легко растекается.

Эффективным также является использование для сплавления так называемых активных фаз. Эвтектики, образованные титаном или цирконием с серебром, никелем, медью и некоторыми другими металлами (активные фазы), обладают свойством смачивать при плавлении как металл, так и неметаллические вещества.

Чтобы не возникали неровности фронта сплавления из-за от­ клонения плоскости пластины от кристаллографической плоскости (111), это отклонение не должно превышать 1—2°.

Возникновение напряжений. Одним из основных дефектов при сплавлении является возникновение механических напряжений

иобусловленное этим образование трещин в полупроводнике как более хрупком элементе сплавленной композиции. Германиевые приборы, изготовленные путем сплавления с индием или свинцом (мягкими, пластичными материалами), почти не содержат трещин

иимеют весьма незначительные напряженные области. Кремние­ вые приборы с электродами из алюминия, олова или золота содер­ жат значительные по величине термические напряжения, обуслов­ ливающие при определенных условиях трещины.

При затвердевании и охлаждении алюминиево-кремниевый сплав стремится сжаться вдоль фронта сплавления более интен­ сивно, чем полупроводник, в силу того что коэффициент термиче­

121

ского расширения у сплава в несколько раз больше, чем у полу­ проводника. Но так как обе фазы уже имеют твердую непрерыв­ ную структуру, то полупроводник препятствует нужному сжатию и тем самым создает растягивающие усилия в сплаве. Аналогичная картина наблюдается в полупроводнике, где подобным образом возникают сжимающие усилия. Сжимающее или растягивающее усилие вызывает появление усилия противоположного знака, дейст­ вующего перпендикулярно ему. Таким образом, и в сплаве, и в кри­ сталле полупроводника появляются индуцированные усилия, сжи­ мающие и растягивающие соответственно.

Если в пластичных материалах растягивающие усилия вызыва­ ют скольжение вдоль плоскости наибольших напряжений, то в хрупких веществах нарушение структуры происходит без замет­ ных пластических деформаций в сечениях, перпендикулярных на­ правлению растяжения.

Наличие неровного фронта сплавления приводит к тому, что на всех неоднородных участках концентрируются механические напря­ жения, величина которых может значительно превосходить сред­ нюю величину напряжений в структуре с ровным фронтом сплавле­ ния. Кроме того, воздействие растягивающих усилий в этих местах наиболее эффективно. Величина растягивающих напряжений в сплавных структурах алюминий — кремний обычно не превосхо­ дит 107 н/м2, критическим разрушающим усилием для кремния является величина около 1010 н!м2.

Для устранения или уменьшения механических Напряжений, возникающих в кремниевых сплавных структурах, в электродные

девания, изменение коэффициента термического расширения, улуч­ шение пластичности и др.). Уменьшению термомеханических напря­ жений способствует также отжиг структуры после сплавления. Одним из эффективных способов уменьшения механических напря­ жений при сплавлении алюминия с кремнием, особенно на большой площади, является применение компенсирующих прокладок.

растягивающие напряжения, приводящие к растрескиванию. Для недопущения искривления пластин при сплавлении алюминий, на­ ходящийся на кремниевой пластине, покрывают шайбой из вольф­ рама или кремния. Диаметр шайбы равен диаметру зоны оплавле­ ния, а толщина составляет около 1 мм для вольфрама и равна толщине пластины кремния для кремния. Помимо предотвращения искривления пластины и значительного ослабления напряжений шайба, называемая термокомпенсатором, воспринимает на себя примерно половину усилий, сохраняющихся после затвердевания сплава, что уменьшает величину термомеханических напряжений в кремнии.

122

дислокации распределены в объеме кристалла равномерно, то зависимость плотности дислокаций Ил от углового расширения диффузионной кривой k выражается формулой

А'д - k2/9b,

где b — вектор Бюргерса.

Следует отметить, что использование рентгеновской аппара­ туры связано с применением специальных мер защиты от излуче­ ния и является оправданным лишь в лабораторных, но не в про­

изводственных условиях.

Исследование напряжений с помощью инфракрасного излучвг ния. Как в отечественной, так и в зарубежной практике лабора­ торных исследований механических напряжений, возникающих при сплавлении полупроводника с металлом, наиболее распростри-, нен метод просвечивания образцов в поляризованном инфракрас­

ном (ИК) свете.

Для наблюдения механических напряжений необходимы две призмы Николя — поляризатор и анализатор. Если на николь-по- ляризатор направить луч света, то прошедшие через него световые волны оказываются плоскополяризованными. Плоскость поляриза­ ции света называют главным сечением николя. Поставив за поля­ ризатором анализатор, в зависимости от взаимного расположения главных сечений николей, можно либо полностью погасить свет, либо частично или полностью пропустить его.

При скрещенных николях, когда главные сечения поляризато­ ра и анализатора взаимно перпендикулярны, и в отсутствие меха­ нических напряжений в образце ИК-свет полностью гасится анали­ затором и экран электронно-оптического преобразователя (ЭОП) остается темным. При наличии напряжений в образце последний оказывается оптически анизотропным, что приводит к повороту

анализатора уже не будет перпендикулярно к плоскости поляриза­ ции падающего на него ИК-света, и анализатор будет частично его пропускать. Таким образом, просветления, появляющиеся на экране ЭОП, будут соответствовать напряженным участкам образ­ ца. Чем больше напряжение, тем на больший угол повернется плоскость поляризации и тем интенсивнее просветлится экран пре­ образователя. Для количественной оценки напряжений необходимо знать угол поворота плоскости поляризации и коэффициенты фо­ тоупругости для данного кристаллографического направления.

Напряжения наблюдают в пластинах, слитках и готовых при­ борах, если эти образцы можно просмотреть с торцевой поверх­ ности. Следует подчеркнуть, что наблюдение напряжений является довольно трудоемкой операцией, так как поверхность образцов должна быть тщательно отполирована для предотвращения неже­ лательного рассеяния ИК-лучей.

125

ГЛАВА ПЯТАЯ

МЕТОД ДИФФУЗИИ

§ 5.1. Физические основы процесса диффузии

Основные определения. Д и ф ф у з и е й , точнее г е т е р о д и ф ­ ф у з и е й или х и м и ч е с к о й д и ф ф у з и е й , называют перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением ато­ мов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленный в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия.

Иногда используют понятие с а м о д и ф ф у з и и — перемещение атомов в однородной среде, когда их концентрация везде одина­ кова. Самодиффузия также обусловлена беспорядочным тепловым движением атомов.

При температуре выше температуры Таммана (температура Таммана равна половине температуры плавления данного веще­ ства, выраженной в абсолютных градусах) подвижность узловых атомов решетки становится значительной, и перемещения атомов в решетке являются основным механизмом диффузии. Этот про­ цесс требует относительно большой энергии для движения каждо­ го атома.

Энергия, которую необходимо сообщить атому для единичного скачка в кристаллической решетке, называют энергией активации диффузии.

С меньшей затратой энергии происходит диффузия по границам зерен и вдоль определенных типов дислокаций. Еще меньшей энер­ гией активации обладает диффузия по поверхности; для некоторых материалов она может быть существенна при температурах выше половины температуры Таммана.

Механизм диффузии в идеальных кристаллах. В идеальных мо­ нокристаллах возможны два способа диффузии, не ведущие к на­ рушению совершенства решетки: непосредственный обмен местами соседних атомов (рис. 5.1, а) и кольцевой обмен (рис. 5.1,6).

В первом случае атомы, окружающие обменивающиеся сосед­ ние атомы, должны раздвинуться, чтобы освободить пространство для обмена. Это требует затраты большой энергии — порядка энер­ гии связи между атомами. Во втором случае энергия, приходящая­ ся на каждый обменивающийся атом, будет меньше, чем для пар­ ного обмена, но остается больше реально наблюдаемых зна­ чений. Такое различие обусловлено тем, что реальные кри­ сталлы содержат дефекты структуры, облегчающие процесс диффузии.

128