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

ней кусочком индия индий начинает плавиться и растворять гер­ маний, пока не наступает насыщение, отвечающее данной темпе­ ратуре. Во время охлаждения германий, выпадая из расплава, наращивается на кристаллическую решетку твердой части пласти­ ны, увлекая с собой акцепторную примесь. В результате возникает электронно-дырочный р-я-переход (рис. 11). Высокая концентрация индия в области p-типа электронно-дырочного перехода понижает удельное сопротивление перехода, что весьма важно для работы полупроводниковых приборов.

Для сплавления можно исполь­ зовать не только чистые эле­ менты III и V групп таблицы Д. И. Менделеева, но и их

сплавы.

На рис. 12, а показан разрез германиевого, а на рис. 12, б — кремниевого сплавных транзисто­ ров.

результате этого образуются эмиттерная и коллекторная области 5 прибора, имеющие дырочный тип проводимости. Между ними на­ ходится базовая область 4, сохраняющая проводимость исходного германия. Такой транзистор имеет р-п-р структуру.

Кремниевый сплавной транзистор по конструкции значительно сложнее. С кристаллом 2 электронного кремния в нем сплавлены эмиттерные и коллекторные электроды 7 и 9 из алюминия, которые образуют соответственно эмиттерную и коллекторную области 5 р-типа. Базовый электрод 8, выполненный в виде кольца, создается сплавлением с кремниевым кристаллом навески из сплава сви­ нец— мышьяк — никель, причем тип проводимости исходного крем­ ния не меняется и транзистор также имеет р-п-р структуру. Для

2®

Не все перечисленные выше элементы могут быть пригодны для получения сплавов для целей полупроводникового производства.- Например, бор имеет слишком высокую (2200° С), а галлий — очень низкую (29,8° С) температуру плавления; алюминий образует с германием сплав с неудовлетворительным коэффициентом линейно­ го расширения, что приводит к разрушению электродов.

При производстве германиевых сплавных транзисторов наи­ большее применение получил индий, который имеет сравнительно низкую температуру плавления (156° С) и хорошую растворяющую способность. Из диаграммы состояния (рис. 13, а) видно, что при

Рис. 13. Диаграммы состояний:

а — германий —индий, б — кремний — алюминий

температуре 600° С расплав содержит 20 атомных процентов гер­ мания. Для улучшения некоторых параметров приборов, например коэффициента усиления, применяют сплавы индия с галлием.

При производстве дырочного германия не представляется воз­ можным использовать перечисленные элементы V группы перио­ дической системы Д. И. Менделеева, что обусловлено их хрупко­ стью и несоответствующими коэффициентами линейного расшире­ ния. В этом, случае используют нейтральные пластичные элементы IV группы периодической системы (обычно олово и свинец), кото­ рые обладают низким пределом текучести и не создают опасных напряжений. В сплавы германий — свинец и германий — олово,, чтобы придать им донорные свойства, добавляют сурьму (до 2%). Мышьяк и фосфор имеют ограниченное применение вследствие их токсичности, хотя и весьма полезны, так как понижают сопротив­ ление электронной области перехода.

Для создания омических контактов с электронным германием обычно используют олово. Иногда, чтобы повысить концентрацию доноров, к германию добавляют 5—7% сурьмы, а чтобы улучшить пластичность — свинец. Омические контакты с дырочным герма­ нием получают с помощью сплавов олова или свинца с индием

(до 50%).

31.

Для сплавления с электронным кремнием индий неприменим, так как он плавится при слишком низкой температуре. Хорошие результаты в этом случае дает алюминий. Причем глубину проник­ новения алюминия в кремний ограничивают, используя эвтектику, ■содержащую 11,7 атомных процентов кремния и 88,3 атомных про­ центов алюминия. Точка плавления эвтектики 577° С. Для увеличе­ ния пластичности иногда к алюминию добавляют небольшие ко­ личества галлия или используют акцепторные сплавы на основе золота и серебра. Алюминий хорошо растворяет кремний и смачи­ вает его поверхность. При температуре 900° С (рис. 13, б) в рас-

ш

№

атом/си3

Рис. 14. Температурная зависимость раствори­ мости:

а — индия в германии, 6 —алюминия в кремнии

плаве содержится около 35 атомных процентов кремния. Для полу­ чения переходов на кремнии дырочного типа проводимости приме­ няют сплавы золота и серебра с сурьмой и мышьяком.

При создании невыпрямляющих контактов с электронным крем­ нием используют сплавы золота и серебра с сурьмой, мышьяком и ■фосфором, а с дырочным кремнием — алюминий, иногда с неболь­ шими добавками галлия или олова (свинца) с серебром.

Температурная зависимость растворимости основных легирую­ щих элементов в германии и кремнии показана на рис. 14.

Глубина сплавления и площадь перехода в значительной степе­ ни зависят от количества (навески) электродного сплава, т. е. электродные сплавы необходимо дозировать. Заготовки электрод­ ных сплавов могут быть в виде колец,, дисков, пластин, шариков и др.

§ 13. Изготовление электродных сплавов

Получение сплава с заданным содержанием и равномерным распределением компонентов является довольно сложной задачей. Так как при расчетах нельзя точно предусмотреть дальнейшие

32

потери компонентов, обычно приходиться подбирать состав исход­ ной шихты опытным путем.

Сплавы на основе индия готовят в тиглях из кварца или корун­ да; разливку их производят на воздухе. Если в состав этих спла­ вов входят золото, серебро или галлий, процесс ведется в кварце­ вых ампулах, откаченных до 1 0 _3 мм рт. ст.

Сплавы свинец —серебро и свинец — олово — сурьма получают в корундовых тиглях и разливают под струей аргона.

Композиции, содержащие мышьяк, фосфор или сурьму, а так­ же элементы, в значительной степени отличающиеся температурой плавления или малой взаимной растворимостью, приготовляют в запаянных ампулах.

Для плавки используют как обычные'электропечи, так и уста­ новки с индукционным нагревом. Предварительно корундовые или кварцевые тигли'и ампулы должны быть тщательно протравлены, вымыты и высушены. Контролируют сплавы на равномерность рас­ пределения компонентов методами химического, спектрального и металлографического анализа.

Помещение для работы со сплавами должно иметь хорошую приточно-вытяжную вентиляцию. Запаивать и откачивать ампулы необходимо в вытяжном шкафу. При работе с мышьяком и фосфо­ ром необходимо соблюдать специальные меры техники безопас­ ности.

В качестве примера рассмотрим состав электродных сплавов, используемых при изготовлении германиевого транзистора ГТ108. Для эмиттерного электрода применяют сплав индия с галлием (ИнГл-0,5), для коллекторного — индия с цинком (ИнЦ-1), а для невыпрямляющего контакта — олова с сурьмой (ОСу-2).

Согласно принятой маркировке одна или две буквы обозначают основу сплава, а затем указывается примесный компонент и его процентное содержание. В нашем примере основой эмиттерного и коллекторного сплавов является индий, а сплава для омического контакта — олово; примесные компоненты представлены 0,5% гал­ лия, 1 %' цинка и 2 % сурьмы.

Эти сплавы приготовляют соответственно при температурах

180—220° С, 430—470° С и 440—460° С с 15—20-минутной выдерж­ кой, разливают в формы и охлаждают на воздухе.

§ 14. Оборудование для получения и дозировки электродных сплавов

Рассмотрим две установки для приготовления электродных сплавов.

На рис. 15 показана установка ЖК 01.08 с аргонным переме­ шиванием для приготовления многокомпонентных сплавов. Плавят шихту в кварцевом стакане (тигле) 2, окруженном нагревателем 3. Сверху стакан уплотняют пришлифованной крышкой 6, через кото­ рую проходят две трубки 5 и 8 для подачи и выпуска аргона и шток 7, закрывающий сливное отверстие 9. Во время загрузки тиг­