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

Так, для изготовления полупроводниковых материалов применя­ ют установки зонной плавки и выращивания монокристаллических слитков. Основным оборудованием для сплавления и диффузии яв­ ляются специальные печи. Различные пленки получают в вакуум­ ных напылительных установках, камерах катодного распыления, а также аппаратуре для эпитаксии и т. д. При работе с электронными и ионными пучками применяют электронно- и ионнолучевые устано­ вки. Наконец, для изготовления корпусов полупроводниковых при­ боров используют газовые и вакуумные печи (для отжига металли­ ческих деталей), конвейерные газовые печи и полуавтоматы (для получения спаев стекла с металлом), колпаковые и конвейерные газовые печи (для пайки металла с металлом и керамикой), а так­ же различные устройства для горячего лужения выводов.

По п р и н ц и п у д е й с т в и я оборудование может быть перио­ дического (вакуумные напылительные установки) и непрерывного (конвейерные печи) действия.

По способу регулирования температуры различают устройства с автоматической системой поддержания температуры на заданном уровне и с программным управлением.

По к о н с т р у к ц и и различают оборудование с вертикальным и горизонтальным расположением рабочего объема, а также по фор­ ме, числу каналов или камер и др.

В оборудовании для вакуумно-термических и термических про­ цессов используют несколько типов нагревателей. Наиболее распро­ странены нагреватели сопротивления: прямонакальные, спиральные, стержневые, силитовые и другие, которые применяют в печах для сплавления, диффузии и в вакуумных напылительных камерах. Индукционные катушки токов высокой частоты оказались особенно удобны для установок зонной плавки и выращивания монокристал­ лов, а также для получения пленок. В новейшем термическом обору­ довании применяют радиационные нагреватели (инфракрасные лампы накаливания), отличающиеся малой инерционностью и не­ большими габаритами.

§ 3. СпособП теплопередачи

Вакуумно-термические и термические процессы полупровод­ никового производства основаны на трех известных способах пере­ дачи тепла: теплопроводности, конвекции и излучении (лучеиспус­ кании, радиации). Познакомимся с ними более подробно.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь —это процесс передачи тепла от одной части тела к другой или между двумя соприкасающимися телами. Физически механизм теплопроводности для газов, жидкостей и твердых тел несколько различен. В газах передача тепла происхо­ дит вследствие хаотического свободного движения молекул. В твер­ дых телах она осуществляется за счет колебания атомов кристалли­ ческой решетки, а в металлах — еще и как результат движения сво­ бодных электронов. В жидкостях передача тепла происходит упруги­ ми волнами.

8

К о н в е к ц и я —это теплопередача за счет движения небольших объемов жидкой или газовой среды. В твердых телах она, конечно, невозможна. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

И з л у ч е н и е обусловлено распространением электромагнит­ ных колебаний через прозрачную для них среду. При этом тепло нагревателя переходит в лучистую энергию, которая, попадая на другие тела, вновь превращается в тепловую. Радиационная пере­ дача тепла находит применение в печах с лампами накаливания или другими источниками интенсивного излучения, которое направ­ ляется непосредственно на обрабатываемые объекты. С внешней стороны нагреватель экранируют. Если поверхности экранов имеют высокий коэффициент отражения, почти вся лучистая энергия идет на обогрев.

(рис. 1). Рабочим пространством установки служит кварцевая труба 1, вокруг которой расположен нагреватель 2. Между нагре­ вателем и трубой имеется воздушная прослойка. Снаружи нагре­ ватель изолирован материалом 3, имеющим низкую теплопровод­ ность и закрыт кожухом 5. В кварцевую трубу устанавливают лодочки 4 с полупроводниковыми пластинами. Технологической средой обычно является газ (азот, водород, аргон, кислород).

При включении нагревателя тепловая энергия через воздушный промежуток передается кварцевой трубе. Роль конвекции здесь однако незначительна, так как воздушная среда практически неподвижна из-за наличия слоя теплоизоляции между трубой и кожухом печи. Поэтому в основном теплопередача осуществляется за счет теплопроводности и излучения.

Одновременно тепло распространяется и вдоль кварцевой тру­ бы. Кварцевая труба обладает значительной массой и теплоемко­ стью и поэтому разность температур на участке определенной про­ тяженности сглаживается и создается рабочая зона печи с постоян­ ной температурой. Разогретая кварцевая труба становится источ-

9

Соотношение между средней длиной свободного пути молекул и линейным размером с? сосуда, в который заключен газ, определяет степень разреженности, или вакуума в сосуде.

Если средняя длина свободного пути значительно меньше раз­ меров сосуда (Х<С^), т. е., если молекулы чаще сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда, считают, что газ находится под давлением, близким к нормальному (низкий вакуум).

Состояние газа, при котором Х^й, называют средней степенью разреженности, или средним вакуумом.

Наконец, состояние, для которого соблюдается условие т. е. молекулы значительно реже сталкиваются между собой, чем

со стенками сосуда, соответствует условиям высокого вакуума. Соотношения между средней длиной свободного пути и давле­

нием приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Соотношения между средней длиной свободного пути и давлением в различных областях вакуума

Давление ниже атмосферного (т. е. степень разрежения) обыч­ но выражают в мм рт. ст. Эту единицу измерения называют так­ же «Тор»: 1 Тор = 1 мм рт. ст. По международной системе единиц (СИ) следует пользоваться единицей давления Н/м2 (ньютон на -квадратный метр): 1 мм рт. ст. = 133,322 Н/м2.

Вакуум создают с помощью специальных насосов двух основ­ ных групп: вращательных (механических) и пароструйных (диф­ фузионных) .

Вращательные насосы, предназначенные для откачки до пред­ варительного разрежения (,~1-10~3 мм рт. ст.), называют форвакуумными. По конструкции их разделяют на пластинчато-ротор­ ные, пластинчато-статорные, золотниковые и специальные (газо­ балластные и многопластинчатые).

Пароструйные насосы, предназначенные для создания высокого вакуума (~ Ы 0 ~ 6 мм рт. ст.), бывают парортутные и паромасля­

И