Файл: Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие.pdf

О. С. Моряков

Вакуумно-термические

итермические процессы

вполупроводниковом

производстве

Одобрено Ученым советом

Государственного комитета Совета Министров СССР

в качестве учебного пособия для профессионально-технических учебных заведений

МОСКВА, «ВЫСШАЯ ШКОЛА»

1974

6Ф0.32 М79

Моряков О. С.

М79 Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве. Учеб, пособие для проф.-техн. учебн. заведёний. М., «Высшая школа», 1974.

144 с. с ил.

В книге описаны основные вакуумно-термические и термические процес­ сы, проводимые при изготовлении полупроводниковых материалов и электрон­ но-дырочных переходов методами сплавления и диффузии, способы получения эпитаксиальных и металлических пленок, а также приведен материал по пла­ нарной и элионной технологии изготовления полупроводниковых приборов, получению паяных соединений и лужению. Дано описание оборудования, при­ меняемого при выполнении основных вакуумно-термических и термических процессов полупроводникового производства и приведены его технические

характеристики.

Со всеми замечаниями и предложениями просим обращаться по адресу: Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая

школа».

© Издательство «Высшая школа», ¡1974.

ВВЕДЕНИЕ

Производство полупроводниковых приборов — сравнительно мо­ лодая отрасль электронной промышленности — широко использует металлургические, термические, фотолитографические, химические и электрофизические процессы, а также различные способы обра­ ботки металлов, пластмасс, стекла и керамики и разнообразные ме­ тоды пайки, сварки, нанесения покрытий и высокоточной сборки. Производство полупроводниковых приборов базируется на новей­ ших достижениях науки и техники и характеризуется сложным ком­ плексом специфичных операций.

Наиболее существенной особенностью этого производства явля­ ется то, что основой полупроводникового прибора служит всего одна деталь — кристалл полупроводникового материала (полупро­ водника),— свойства которой определяются последовательностью совершаемых над ней технологических операций.

Процесс изготовления полупроводниковых приборов требует максимальной тщательности и включает несколько десятков техно­ логических переходов, в результате которых в объеме кристалла полупроводника получают участки с особыми физическими свойст­ вами, толщина которых может быть в сто раз меньше толщины че­ ловеческого волоса.

Эти участки создают специальными технологическими методами (например, сплавлением, диффузией), не нарушая целостности кри­ сталла, и результаты их почти не поддаются непосредственному контролю и проявляются лишь при проверке готового прибора.

Сложные физические явления происходят и на поверхности полу­ проводникового кристалла, где могут скапливаться атомы посторон­ них веществ. Эти процессы, также трудно контролируемые, опреде­ ляют работоспособность прибора не сразу после его изготовления, а спустя лишь некоторое время. Там, где электронно-дырочный пе­ реход проходит в глубине полупроводника, ему не угрожают по­ верхностные явления. В местах же, контактирующих с поверхно­ стью кристалла, электронно-дырочный переход оказывается доступ­ ным влиянию внешней среды. При разогреве работающего прибора химические реакции начинают протекать более активно и это может привести к ухудшению характеристик и выходу прибора из строя.

Для предохранения поверхности кристаллов с переходами от загрязнения в производстве полупроводниковых приборов применя­ ют только особо чистые химические вещества, в частности деиони­ зованную воду и газы с контролируемым содержанием вредных при­ месей. Кроме того, поверхность кристаллов защищают различными пленками. Исходные полупроводниковые материалы (германий и кремний) также должны содержать строго ограниченное количество примесей. Современные методы очистки и анализа полупроводников

3

позволяют получать, например, германий чистотой 99,99999999%. Все материалы полупроводникового производства обязательно дол­ жны проверяться на соответствие действующим стандартам и тех­ ническим условиям в самом начале технологического цикла.

К основным параметрам полупроводников относят удельное соп­ ротивление материала и его разброс по длине и поперечному сече­ нию слитка, время жизни неосновных носителей тока, плотность дислокаций, или количество дефектов кристаллической решетки,

приходящееся на один квадратный сантиметр поверхности полупро­ водника.

Если материал обнаруживает значительный разброс по значени­ ям удельного сопротивления, полученные из него приборы также будут обладать разбросом характеристик и их будет трудно, а ино­ гда и невозможно использовать. Следует учитывать, что в объеме

полупроводника могут иметь место некоторые микронеоднородно­ сти.

В большинстве случаев требуются полупроводники с максималь­ ной величиной времени жизни неосновных носителей тока. Этот па­ раметр не только определяет коэффициент усиления прибора, но и служит показателем чистоты материала: чем больше время жизни

неосновных носителей, тем меньше примесей содержит полупровод­ ник.

Существенное значение в технологии приборов имеет и плот­ ность дислокаций. Если она достигает нескольких десятков тысяч на один квадратный сантиметр, годные приборы получают случайно: при создании электронно-дырочных переходов все процессы вдоль нарушений кристаллической решетки протекают значительно быст­ рее, что приводит к пробоям и замыканиям.

Основные процессы полупроводникового производства осущест­ вляют в термических установках (печах) в атмосфере водорода или в вакууме. При повышенных температурах требования к чистоте возрастают. Так, технологические газы должны быть свободны от влаги и кислорода. Для процессов сплавления необходимо приме­ нять водород с точкой росы не^ выше —70° С и содержанием кисло­ рода не более 1 • 10~5 г/л. Важное значение имеет также темпера­ турный режим установки. Например, точность поддержания темпе­ ратуры в рабочей зоне печи длиной 400 мм должна составлять

+0,5° С.

Впроизводстве полупроводниковых приборов для защиты элект­ ронно-дырочных переходов, изготовления невыпрямляющих контак­ тов, пассивных компонентов микросхем и других элементов широко

применяют различные пленки. В этом случае преимущественной тех­ нологической средой является вакуум.

Вакуумно-термические и термические процессы являются основ­ ными процессами полупроводникового производства и служат для получения и легирования полупроводниковых материалов, создания электронно-дырочных переходов и невыпрямляющих контактов, из­ готовления корпусов и др. Для подготовки операторов по проведе­ нию этих процессов предназначено настоящее учебное пособие.

4

Г Л А В А П Е Р В А Я

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ГИГИЕНА. ОСНОВЫ ВАКУУМНО-ТЕРМИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ 1. Сведения о производственной гигиене

Производство надежных и долговечных полупроводниковых при­ боров, даже при правильно выбранной технологии, немыслимо без соблюдения производственной гигиены, под которой понимают ком­ плекс мероприятий, обеспечивающих защиту элементов и деталей приборов от всевозможных загрязнений. Кристаллы с электронно­ дырочными переходами, составляющие основу полупроводниковых приборов, особенно чувствительны к попаданию на них влаги, кис­ лот, щелочей и других веществ, которые резко ухудшают парамет­ ры приборов. Взаимодействуя с парами воды, эти вещества обра­ зуют подвижные заряды-ионы, переносящие электрический ток через переход и нарушающие нормальную работу прибора, особен­ но после его разогрева.

Чтобы обеспечить выполнение требований производственной ги­ гиены, необходимо правильно выбрать район расположения пред­ приятия, конструкцию здания, размещение цехов, обеспечить опре­ деленный уровень влажности и температуры, а также провести организационные мероприятия, направленные на выполнение пра­ вил производственной гигиены работающими. Основные виды за­ грязнений цехов — это пыль, пары воды, газы и др. В зависимости от концентрации и размеров частиц пыли, содержащейся в воздухе, производственные помещения разделяют на три класса (табл. 1).

Таблица 1

Классификация производственных помещений

Максимальное количество в 1 л воздуха частиц пыли размером, мкм

Как видно из табл. 1, самыми чистыми являются помещения класса 3. В них проводят вакуумно-термические и термические про­ цессы получения электронно-дырочных переходов (диффузию, сплавление, наращивание эпитаксиальных пленок, напыление), а

5

конструировании оборудования не рекомендуется использовать ма­ териалы, способные из-за электризации притягивать частицы пыли (например, некоторые марки органического стекла). Предпочти­ тельный цвет окраски оборудования — светло-зеленый или светлоголубой.

Обслуживающий персонал должен тщательно соблюдать прави­ ла производственной гигиены. Необходимо следить за тем, чтобы с одеждой персонала в чистые помещения не заносилась пыль, по­ этому спецодежду шьют из безворсовых тканей. Хранят спецодежду, а также личную одежду в индивидуальных шкафах, установленных в специально отведенном месте. Непосредственно перед работой и во время работы запрещается пользоваться косметическими средства­ ми. Чтобы исключить попадание жировых загрязнений на изделия и детали, работники полупроводникового производства должны поль­ зоваться резиновыми напальчниками, перчатками и пинцетами. От работающих требуется правильное ношение спецодежды, своевре­ менная ее стирка и чистка, периодическое мытье рук, а также про­ тирка рук, рабочего места и инструмента спиртом, соблюдение тех­ нологической дисциплины и ограниченное движение в производст­ венных помещениях. Изготовленные детали, полуфабрикаты и соб­ ранную арматуру приборов необходимо хранить в специальной таре или вакуумных шкафах.

§2. Классификация технологических процессов

иоборудования

Основные процессы изготовления полупроводниковых прибо­ ров — зонную очистку полупроводников, вытягивание монокристал­ лов, сплавление, диффузию, создание невыпрямляющих контактов, выращивание различных пленок, соединение стекла и керамики с металлом, лужение и другие — выполняют на специальном оборудо­ вании при температуре, значительно превышающей окружающую.

По т е х н о л о г и ч е с к о й ( ра боче й ) с ре де , в которой осуществляются основные процессы полупроводникового производ­ ства, их можно подразделить на вакуумно-термические и термиче­ ские.-Первые, как показывает само их название, выполняют в ваку­ уме, а вторые — в атмосфере различных газов. Эти технологические

вакуумного осаждения, а также катодного распыления различных материалов, а к термическим-—выращивание монокристаллов, зон­ ная плавка, сплавление, диффузия, термоокисление, наращивание эпитаксиальных пленок, пайка и лужение. Некоторые процессы (вы­ ращивание монокристаллов, сплавление) могут осуществляться и тем и другим способами.

В з а в и с и м о с т и от р а б о ч е й т е м п е р а т у р ы процессы бывают низкотемпературные —до 900° С (при производстве герма­ ниевых приборов)’ и высокотемпературные —до 1300° С (при произ­ водстве кремниевых приборов). В соответствии с этим классифици­ руют и технологическое оборудование.

7