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

ля пробку приподнимают, а отверстие закрывают. При плавлении через металл продувают аргон, который поступает из баллона че­ рез ротаметр 1 и предварительно подогревается нагревателем 4. Пузырьки газа способствуют перемешиванию расплава и удалению различных загрязнений. Готовый сплав сливают в среде аргона в водоохлаждаемую форму 11, для чего осторожно поднимают шток 7, наблюдая за истечением струи через прозрачную кварце­ вую втулку 10.

Рис. 15. Установка для приготовления многокомпонентных сплавов с аргонным перемешиванием:

мышьяковистых сплавов, части которой смонтированы на верхней плите сварного каркаса 3. Нагревают и плавят шихту в откаченной кварцевой ампуле, снабженной нагревателем сопротивления 4. Для перемешивания и равномерного распределения компонентов ампу­ ла вместе с нагревателем приводится в движение от специального привода, состоящего из электродвигателя 1, червячного редукто­ ра 8, кривошипа 9 и кронштейна 2. При вращении кривошипа ам­ пула колеблется в вертикальной плоскости относительно оси 6. Кроме того, с помощью цилиндрических шестерен 7, вала, прохо­ дящего через втулку 5, эксцентрика и штока ампула движется го­

34

Рис. 17. Пресс с нижним приводом

Рис. 18. Пресс-форма для горячего выдавливания проволоки:

Большое значение для увеличения стойкости штампов имеет техническое состояние пресса. Беззазорные штампы не рекоменду­ ется ставить на пресса с большим люфтом в ползунах. Наиболее пригодны пресса с нижним приводом (рис. 17), которые имеют плавный ход ползуна, бесшумны в работе и обладают высокой точ­ ностью. Появившийся люфт устраняют регулировкой зазора между разрезными направляющими втулками и колонками ползуна.

Если необходимы электродные заготовки в виде проволоки, ее

она отрезается ножом 4. Затем пуансон перемещает отрезок про­ волоки в скошенное отверстие матрицы, где происходит постепен­ ное свертывание проволоки в кольцо вокруг конусного конца пуан­ сона. При возврате пуансона кольцо остается в матрице и по мере повторения операций продвигается к выходному отверстию, откуда сбрасывается в тару 5. Автомат можно переналаживать на полу­ чение колец разных диаметров из проволоки различного сечения.

Простейшим способом изготовления колец является навивка проволоки на цилиндрическую оправку с последующей разрезкой по образующей.

Отрезки проволоки заданной длины получают как вручную, так и на механизированных приспособлениях.

При ручном способе проволоку нарезают набором лезвий, соеди­ ненных в пакет через прокладки определенной толщины.

При механизированном способе изготовления отрезков (рис. 20)

•один конец проволоки длиной 200—250 мм зажимают губками 5 приспособления, расположенными на разрезной гайке 1, которая находится на вертикальной винтовой стойке 2, а другой конец встав­ ляют в дюзу 6. Поворот винтовой стойки на заданный угол, т. е. по­ дача проволоки на определенную длину, кинематически связан с ходом ножа 7, автоматически отрезающего проволоку и отходящего ® исходное положение. Работа приспособления происходит по цик­

37

лу: подача —отрезка. Для получения отрезков проволоки различ­ ной длины заменяют винтовую стойку с разрезной гайкой.

Для изготовления шариков наиболее совершенным является спо­ соб выдавливания расплава через калиброванное отверстие в мас­ ло. Электродные шарики, широко используемые при производстве маломощных германиевых транзисторов, позволяют механизиро­ вать процесс получения электронно-дырочных переходов. Диаметр шариков может быть от 0,3 до 1 мм.

А-А

Рис. 20. Механизированное приспособление для резки проволоки из электродных. сплавов:

/ — разрезная гайка, 2 — винтовая стойка, 3 —червячный редуктор, 4 — электродвигатель, 5 — губки, в —дюза, 7 — нож

Установка ЖК 16.02 для получения дозированных микрошари­ ков из расплава, показанная на рис. 2 1 , работает по следующему принципу. Струю жидкого металла продавливают через отверстие небольшого диаметра в приемную (холодную) жидкость. При ис­ течении струя разбивается на капли, которые под действием сил по­ верхностного натяжения приобретают сферическую форму и засты­ вают. В объеме каждого шарика сохраняется заданный состав сплава.

38

Обычно приемной средой для шариков служит масло ПФМС-4 или ПФМС-2, которое предварительно вакуумируют при давлении 10 ~2 мм рт. ст. и температуре 360° С. Для получения шариков с тем­ пературой плавления до 250° С можно применять жидкость ВКЖ-94.

1

Рис. 21. Установка для получения микрошариков из рас­ плава:

/ —ресивер, 2, 4 и 8 —нагреватели, 3 — конус, 5 и 6 —термо­ пары, 7 —диафрагма, 9 — кварцевый сосуд, 10 — зажим, И — наконечник, 12— сливное отверстие, 13 —трубка

Для работы установки в трубку 13 загружают исходный матери­ ал и расплавляют его с помощью нагревателей 2 и 4. Под действием ультразвуковых колебаний (через конус 5) и под давлением аргона из ресивера 1 происходит выдавливание расплава через отверстия танталовой диафрагмы 7 в кварцевый сосуд 9 с маслом. Заданная

39

температура приемной среды поддерживается нагревателем 8 и кон­ тролируется термопарой 6, подключенной к терморегулятору. Тер­ мопара 5 служит для регулировки температуры расплава. По мере наполнения кварцевого сосуда избыток масла сливается через от­ верстие 12. Микрошарики извлекают из резинового наконечника 11> снабженного зажимом 10.

Получение шариков заданного размера зависит от давления в. трубке. Так, шарики диаметром свыше 0,2 мм получают при давле­ нии 1,1—1,4 ат, а более мелкие —от 2,5 до 3,5 ат. Размер отверстия в диафрагме должен быть в 1,5— 2 раза меньше номинального диа­

ала.

Форму и чистоту поверхности шариков проверяют под микроско­ пом МБС-2. Для выборочного (по 20—30 шт. от каждой плавки) контроля диаметра шариков используют малый инструментальный микроскоп. Сортируют шарики с помощью набора сит.

Иногда вместо отдельных шариков применяют электродные вы­ воды с микрошариками на концах, которые изготовляют электроли­ тическим осаждением из безводного электролита. Этим методом осаждают шарики из олова, индия и его сплавов с галлием и кад­ мием.

§ 15. Кассеты для сплавления электронно-дырочных переходов

Основным видом оснастки, применяемой для процессов сплав­ ления, являются кассеты. Кассеты должны изготовляться из мате­ риалов, которые не смачиваются электродным сплавом, не изме­ няют своих размеров и не выделяют вредных примесей при нагреве. Этим требованиям отвечают нержавеющая сталь, рубин, графит и некоторые виды керамики. Однако нержавеющая сталь и керамика имеют ограниченное применение.

Пробки из нержавеющей стали пригодны только после специаль­ ного окисления. Механическая обработка нержавеющей стали, в особенности для получения деталей малых размеров при узких до­ пусках и с высокой чистотой поверхности, является трудоемким процессом и, как правило, из этого материала делают лишь основа­ ния кассет, грузики и другие вспомогательные детали.

Попытки использовать для изготовления кассет керамику также не имели успеха ввиду значительного разброса различных партий материала по коэффициентам усадки.

Эксперименты с рубином показали, что изготовленные из него детали-вставки легко выпадают из стальных гнезд вследствие зна­ чительной разницы в коэффициентах теплового расширения рубина и стали.

Графит легко обрабатывается механическими способами: точе­ нием, фрезерованием, шлифовкой и др. В полупроводниковом произ­ водстве используют графит марок АРВ и МПГ-6 , причем графит второй марки лучше по своим механическим свойствам, но дороже

40

и выпускается в виде заготовок сравнительно малых размеров. Для получения графитовых изделий высокой точности широко применя­ ют оснастку второго порядка (кондукторы, перовые сверла и др.).

Чтобы удалить графитовую пыль, кассеты промывают в кипя­ щей дистиллированной воде, а затем отжигают в вакуумных печах при высокочастотном нагреве до температуры 1500—1700° С.

Недостатками графита являются хрупкость, возникновение пор в результате термического циклирования, уход размеров в процессе эксплуатации и легкость загрязнения. Стойкость графитовых кассет повышают методом упрочнения, который заключается в насыщении поверхности графитовых изделий углеродом за счет разложения ор­ ганических веществ (например, бензин) в вакуумной камере при температуре 1 1 0 0 °С. Следует учитывать, что упрочнение изменяет первоначальные размеры изделий.

§ 16. Сборка деталей электронно-дырочных переходов

При производстве сплавных и сплавно-диффузионных приборов перед процессом сплавления необходимо поместить электродные на­ вески (шарики, диски, кольца) в определенные точки кристалла. Процесс укладки навесок (загрузку сплавов) выполняют двумя ме­ тодами.

При к а с с е т н о м ме т о д е укладку электродов, кристаллов и кристаллодержателей производят, как правило, вручную. При изготовлении сплавно-диффузионных транзисторов эта операция довольно трудоемка из-за малого размера заготовок и высоких тре­ бований к точности укладки.

Многопозиционные кассеты, применяемые для сборки и изготов­ ляемые обычно из графита, состоят из основания и пробок, в кото­ рых размещают кристаллы, навески электродных сплавов и кристаллодержатели. Конструкция кассеты должна обеспечивать соосность электродов; при отклонении от соосности параметры переходов ухудшаются.

На рис. 22 показаны кассеты (в сборе) для изготовления крем­ ниевого и германиевого сплавных транзисторов.

Кремниевые транзисторы получают однократным сплавлением. Кассета (рис. 2 2 , а) имеет графитовое основание 6, на котором уста­ навливают собранные пробки и центрирующие грузики 1 из нержа­ веющей стали. Предварительно спрессованную коллекторную заго­ товку 3 (таблетку) из алюминиевого, молибденового и оловянно­ свинцового сплава загружают в верхнюю пробку 2, а эмиттерную заготовку 7 из алюминиевого и оловянно-свинцового сплавов, а так­ же кольцевой электрод 5 из базового сплава — в нижнюю пробку 8. Таким образом, кристалл 4 кремния располагается между электро­ дными заготовками, заключенными в графитовые пробки. Грузики 1 обеспечивают центровку пробок и кристалла, а также создают необходимое давление на детали. После сплавления кассеты раз­ бирают и извлекают кристаллы с готовыми электронно-дырочны­ ми переходами.

41