/
Автор: Готра З.Ю.
Теги: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) микроэлектроника электроника справочник
ISBN: 5-256-00699-1
Год: 1991
Текст
технология МЭУ СПРАВОЧНИК
• ГАДИОИСВЯЗЬ •
СПРАВОЧНИК
а.. ?.«; w ;^g^giHwiiHHHHBniiii'iiiif 111»ндмита1гом^^
3-Ю, ГОТРА
ТЕХНОЛОГИЯ
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
СПРАВОЧНИК
3. Ю. ГОТРА
ТЕХНОЛОГИЯ
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
©
МОСКВА „РАДИО И СВЯЗЬ"
1991
Scan AAW
ББК 32.844
Г74
УДК 621.3.049.77.002.2 (035)
Рецензент д-р техн, наук, проф. Ю. 3. Бубнов
Редакция литературы по электронике
Готра 3. Ю.
Г74 Технология микроэлектронных устройств: Справочник.—
М.: Радио и связь, 1991.— 528 с.: ил.
ISBN 5-256-00699-1.
Рассмотрены механические, химические, ионные, плазменные, элект-
ронно-лучевые и другие методы обработки в технологии микроэлектрон-
ных устройств. Обобщены данные по выращиванию монокристаллов, диф-
фузии, эпитаксии, ионной имплантации, технологии тонких пленок, лито-
графии, сборке и герметизации. Значительное внимание уделено контролю,
обеспечению качества и надежности при изготовлении микроэлектронных
устройств.
Для инженерно-технических работников, мастеров и квалифициро-
ванных рабочих, занимающихся производством МЭУ.
Г
2302030700-049
046(01)-91
86-91
ББК 32.844
Справочное издание
ГОТРА ЗЕНОН ЮРЬЕВИЧ
ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Справочник
Заведующий редакцией Ю. Н. Рысев. Редактор Н. К. Калинина
Переплет художника Н. А. Пашуро. Художественный редактор А. С. Широков
Технический редактор Т. Н. Зыкина. Корректор А. К. Акименкова.
ИБ № 1802
Сдано в набор 2.04.90. Подписано в печать 22.02.91. Формат 60х90’/1б. Бумага
типографская № 2. Гарнитура литер. Печать высокая. Усл. печ. л. 33,0. Усл.
кр.-отт. 33,0. Уч.-изд. л. 49,05. Тираж 30 000 экз. Изд. № 22255. Зак. № 1270.
Цена 4 р.
Издательство «Радио и связь». 101000, Москва, Почтамт, а/я 693
Областная ордена «Знак Почета» типография им. Смирнова Смоленского облуправ-
ления издательств, полиграфии и книжной торговли, 214000, г. Смоленск,
пр. им. Ю. Гагарина, 2.
ISBN 5-256-00699-1
© Готра 3. Ю., 1991
Предисловие
Технология микроэлектронных устройств (МЭУ) является основой произ-
водства современных радиоэлектронных средств. Уровень развития радиоэлект-
роники определяется достижениями в области технологии МЭУ.
Методы микроэлектронной технологии широко используются в процессах
изготовления изделий приборостроения, вычислительных машин, элементов и
устройств автоматики и др. Многие производства нерадиоэлектронного профиля
также применяют методы микроэлектронной технологии.
Современная технология МЭУ базируется на новейших достижениях в об-
ластях физики, химии, математики, материаловедения, автоматизации и управ-
ления.
Производство МЭУ включает механическую, тепловую, электронную, ион-
ную, плазменную, лазерную и другие виды обработки, позволяющие в вакууме,
контролируемой газовой среде, атмосфере целенаправленно изменять и задавать
электрофизические параметры полупроводниковых, диэлектрических, резистивных,
проводящих материалов и структур на их основе.
В настоящее время отсутствует издание, включающее комплекс основных
базовых технологических процессов, используемых при производстве МЭУ, на-
чиная с методов создания монокристаллических материалов с заданными свой-
ствами структур на их основе до сборки и герметизации конструктивно закон-
ченных устройств.
В предлагаемом справочнике собраны основные сведения по базовым тех-
нологическим процессам МЭУ. Рассматриваются методы получения, очистки и
легирования монокристаллических материалов, процессы диффузии, эпитаксии,
ионной имплантации, литографии, методы получения тонких пленок, паяных и
сварных соединений, герметизации устройств. Приводятся основные свойства и
параметры материалов, оборудование, обеспечивающее проведение технологи-
ческих процессов.
В связи с быстрым моральным старением устройств и оборудования базо-
вые технологические процессы рассматриваются без привязки к конкретным
МЭУ, а изложение носит описательный характер.
При написании справочника использовано более 1000 отечественных и за-
рубежных литературных источников. С целью сокращения объема ссылки на
них в тексте опущены, а приведенный список использованной литературы вклю-
чает лишь основные монографии в области технологии МЭУ
Справочник предназначен для инженерно-технических работников, мастеров
и квалифицированных рабочих, занимающихся производством МЭУ.
Глава 1
Методы получения, очистки и легирования
монокристаллических материалов
1.1. Основные материалы для полупроводниковых
микроэлектронных устройств
Большинство полупроводниковых материалов представляет собой кристал-
лические твердые вещества с упорядоченной периодической структурой. Наи-
меньший объем кристаллического вещества, перемещением которого вдоль трех
независимых направлений можно получить весь кристалл, называют элементар-
ной ячейкой. Кристаллографические оси в кристалле определяют направление
ребер элементарной ячейки, а система трех векторов а, в и с, образующая
ячейку,— базис. Расстояние между двумя соседними атомами вдоль одного из
направлений решетки определяет постоянную решетки.
Кристаллы состоят из атомов или ионов, занимающих определенные по-
ложения в пространстве, условно называемые узлами пространственной решет-
ки. Существует семь кристаллических систем (сингоний) пространственных ре-
шеток, которые характеризуют их симметрию по отношению к определенным
плоскостям и направлениям (осям) (табл. 1.1).
Значительная часть полупроводниковых материалов, в том числе герма-
ний, кремний, имеет структуру решетки типа алмаза (рис. 1.1), характеризую-
щуюся наличием тетраэдрических связей: у каждого атома есть четыре ближай-
ших соседа, взаимодействующих с ним силами ковалентных связей. Решетка
типа алмаза состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых друг
относительно друга на четверть постоянной решетки.
Кристаллическое вещество представляет собой сплошную упорядоченную
структуру (монокристалл) либо состоит из большого числа мелких монокри-
сталлов, различно ориентированных в пространстве (поликристалл).
С упорядоченной кристаллической структурой связано такое свойство, как
аллотропия (или полиморфизм)—изменение кристаллической структуры при
изменении температуры. Структуры различаются аллотропической формой, или
модификацией. Модификацию обозначают греческими буквами а, р, у и т. д.
(буквой а обозначают модификацию, существующую при температурах' ниже
первого аллотропического превращения).
Кристаллические вещества анизотропны, т. е. их свойства зависят от кри-
сталлографического направления.
Для описания закономерностей строения кристаллов необходимо задание
направления (прямой). Так как выбор начала
координат в бесконечном кристалле произво-
лен, параллельные прямые описываются оди-
наковыми символами. Поэтому для задания
направления в кристалле достаточно задать
координаты любого атома, лежащего на пря-
мой, проходящей через начало координат и
данный атом (узел), тройкой целых чисел,
заключенных в квадратные скобки. Напри-
мер, ось х обозначают как [100], у—[010],
г— [001]. Совокупность симметричных на-
правлений одной простой формы кристалла
обозначается <100>, <010>, <001>,
Рис. 1.1. Структура решет-
ки типа алмаза
Для определения кристаллографических
координат плоскости используют так называе-
4
Таблица 1.1. Типы кристаллических решеток
Сингония
Простая
Базоцентри-
рованная
Объемно-
центриро-
ванная
Гранецент-
рированная
Соотношения
между пара-
метрами век-
торов базиса
Триклинная
а=/=Ь=/=с
#=т#=90°
Моноклин-
ная
а=/=Ь=£с
а = р = 90°
Y=#90°
a=£b=£c
а = (3 =
=у=90°
Тригональ-
ная (ромбо-
эдрическая)
а = Ь — с
а = р =
=у¥=90°
Тетраго-
нальная
а = Ь=/=с
а = Р =
=Y=90°
Гексаго-
нальная
а = Ь=/=с
а = р = 90°
Y = 120°
Кубическая
а — Ь — с
а = р =
= у=?90°
Примечание, а, Ь, с — модули векторов базиса; а, Р, у — углы между ними.
Рис. 1.2. Основные кристаллографические плоскости кубической решетки
мые индексы Миллера, которые записываются в круглых скобках (Л, k, I). Для
нахождения h, k и I необходимо определить точки пересечения рассматривае-
мой плоскости с кристаллографическими осями, выразить расстояния от них до
начала координат в единицах постоянной решетки, взять обратные величины
и привести их к наименьшему общему знаменателю. Числители полученных
дробей и являются индексами Миллера (параллельные друг другу плоскости
имеют одинаковые индексы Миллера). Если плоскость параллельна какой-либо
из координатных осей, то индекс Миллера, соответствующий этой координатной
оси, будет равен нулю. Основные кристаллографические плоскости кубической
решетки показаны на рис. 1,2.
Поскольку, как уже отмечалось, в реальном кристалле выбор начала си-
стемы координат произволен, подход к индексации параллельных плоскостей
тот же, что и для направлений (параллельные плоскости имеют одинаковые
индексы Миллера). Совокупность симметричных плоскостей одной простой фор-
мы кристалла обозначается {Л, k, I}.
Если в индексах обозначения направления или плоскостей необходим знак
«минус», он выносится над нужным индексом, например (111).
В реальных кристаллах существуют нарушения кристаллической структу-
ры — дефекты. К дефектам относятся любые нарушения пространственной ре-
шетки: отсутствие регулярного узла, наличие лишнего узла или посторонней
примеси, смещение атомарной плоскости или более сложные нарушения. Де-
6) 6)
Рис. 1.3. Дефекты кристаллической решетки:
а — посторонний атом в узле решетки; б — пустой узел и собственный атом в междоуз-
лии; в — блочное строение кристалла
6
фекты подразделяют на точечные, линейные (дислокации) и сложные. На
рис. 1.3 приведены некоторые дефекты кристаллической решетки.
Элементарные полупроводники. В периодической таблице Менделеева име-
ется 12 элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами: в III груп-
пе — бор; в IV — углерод, кремний, германий, олово, в V — фосфор, мышьяк,
сурьма, в VI — сера, селен, теллур, в VII — йод. Физические характеристики
наиболее часто употребляемых элементарных полупроводников приведены ниже.
Основные технические характеристики
Атомный номер..................................
Относительная атомная масса....................
Плотность, г/см3, при 298±0,01 К...............
Плотность расплавленного Ge, г/см3, при 1233 К
Температура плавления, К .......
•Температура кипения, К . . .............
Теплоемкость, Дж/моль, при:
90 К...........................................
300 К.......................................
Диэлектрическая постоянная ....................
Магнитная восприимчивость при 293 К
Температура Дебая, К, при:
300 К..........................................
80 К.................................. ....
Температурный коэффициент линейного расшире-
ния, К-1, при:
40 К...........................................
80 К........................................
100 К......................................
300 К......................................
Поверхностное натяжение, Н/м, в атмосфере аргона
при температуре затвердевания .................
Эффективные массы в минимумах:
"Ч.............................................
.......................................
Эффективные массы дырок:
тяжелых........................................
легких .....................................
Эффективная масса проводимости .....
Ширина запрещенной зоны Д£, эВ, в точке Г при:
германия
32
72, 59
5,32674
5,571
1209± 1
2973
11,1
22,8
16
—1,434 ±0,004 Ю~7
«406
«353
+ 0,07-10-6
+ 1,05-10-*
+ 2,20-10-*
+ 5,75-10-*
0,6
1,58т0
0,0815т0
тл = 0,379/по
mz=O,O42/no
А 3znn
тс* -----—
mii/tni
=»0,12/по
298 К......................................
Температура коэффициента изменения Д£ в точке Г
Концентрация носителей тока в области собственной
Эффективная плотность состояний в зоне проводи-
мости, см~3.............................. . .
0,898
0,889
0,744
—3,9/Ю-4
Пг = 1,76-10-1*-Т3/2Х
Хехр(—0,785 эВ/2£Г)
Ас = 4,82-1О15-Т3/2ХМ
(—)3/2 = 1,04-1019х
х sd где
М — число миниму-
мов в зоне проводимо-
сти, в валентной зоне
АУ = 4,82-1015Р/2==
/ mdh \3/2
\ tnQ ]
7
Подвижность носителей тока при рассеянии на ко-
лебаниях решетки:
электронов в зоне проводимости, см2/В-с
дырок в валентной зоне, см2/В-с . . . .
Коэффициент диффузии носителей тока, см2/с, при
300 К:
электронов .................................
дырок ......................................
Дрейфовая подвижность, см2/(В-с), при 300 К:
электронов .....................................
дырок ......................................
Атомный объем ..................................
Число атомов в единице объема, см-3 . . . .
Постоянная решетки а2эзк, нм....................
Основные физические характеристики
Атомный номер ....................................
Относительная атомная масса.......................
Электронная структура ............................
Кристаллическая «структура........................
Параметр решетки, нм, при 298 К...................
Диэлектрическая проницаемость.....................
Плотность, г/см3:...............................
твердого (при 298 К)..........................
жидкого.......................................
Коэффициент линейного расширения, К-1, при:
288...323 К...................................
423 К.........................................
Теплоемкость, Дж/(моль-К), при:
90 К..............................................
300 К..................................., . .
Температура плавления, К .........................
Температура кипения, К ..............
Поверхностное натяжение, Н/м:
в аргоне .........................................
в гелии......................................
в водороде ..................................
Излучательная способность при:
1000 К ......................................
1688 К ......................................
Удельное сопротивление, Ом-см-Ю4 . . . .
Ширина запрещенной зоны при 300 К в точке Г, эВ
Коэффициент диффузии, см2/с, при 300 К:
электронов .......................................
дырок .......................................
Коэффициент преломления при длине волны %, мкм:
1,05.............................................
2,6..........................................
2 ...10......................................
Отражательная способность при длине волны бо-
лее 1,5 мкм.......................................
Твердость по Моосу................................
93
44
3800
1800
13,5
4,42-1022
0,565748
кремния
14
28,08
ls22s22p63s23p2
Структура алмаза, про-
странственная симметрия
OMFd3m)
0,543072 ±0,000001
12
2,3283
2,2
2,4-10-6
3,0-ю-6
5,2
19
1685±2
2773
0,72
0,73
0,73
0,64
0,46
23. 24
1,153
35
13,1
3,56
3,44
3,50
0,3
7
8
Концентрация носителей тока, см-3, в Si с собст-
венной проводимостью при 300 К........................1,5-1010
Подвижность, см2/(В с),
электронов при:
300 К ...................................... 1350± 100
300...400 К....................................4 109Т-2’6
дырок при:
300 К........................................... 480±15
150...400 К....................................2,5 108Т“2’3
Основные физические характеристики теллура
Атомный номер.....................................
Относительная атомная масса.......................
Атомный объем ....................................
Плотность, г/см3..................................
Число атомов в 1 см3 .............................
Температура плавления, К .........................
Температура кипения, К ...........................
Температура Дебая, К..............................
Диэлектрическая проницаемость.....................
Параметры решетки тригонального Те (7>з4, 7)36), нм:
а.................................................
с............................................
Валентный угол а, град............................
Коэффициент теплового расширения, К”1, при 293 К:
параллельно оси с ................................
перпендикулярно оси с .......................
Удельная теплопроводность, Вт/(мк)................
Ширина запрещенной зоны А£, эВ, в точке Г
Коэффициент преломления:
параллельно оси с при Х=3,6 мкм ....
перпендикулярно оси с при Х = 8 мкм
Коэффициент, определяющий угол поворота плоскости по
ляризации при прохождении света сквозь пластину тол
щиной 1 мм, град/мм, при Х=4 мкм..................
Удельное сопротивление, Ом см, при 303 К:
|| оси с.....................................
оси с.....................................
Подвижность носителей тока, см2/(В с), при 204 К:
электронов .......................................
дырок .......................................
Термо-ЭДС, мкВ/K, при:
300 К........................................
623 К и VT II с..............................
623 К и VT _L с..............................
Эффективная масса:
m^lmQ.............................................
т /т0........................................
52
127,61
20,4
0,25
2,05 1 022
725
1663
129
23
0,446
5,93
102,6
—1,0- 10-в
27,2 10"6
5,86
0,33...0,37
0,34
4,85
100
0,307
0,528
1800
700
300...500
320
135
0,11 ±0,01
Основные физические характеристики селена
Атомный номер.......................................34
Относительная атомная масса.......................78,96
Валентность.......................................6,4—2
Атомный радиус, нм..................................34
Электронная структура...........................3d104s24p4
Удельная магнитная восприимчивость...............-3,Ь10"7
Контактная разность потенциалов (по отношению к Ап), эВ 5,13
Диэлектрическая проницаемость (аморфного Se) . . 6,6±0,4
9
Параметры кристаллической решетки (гексагонально-
го Se), нм:
а, b..................................................0,4316
с.......................................................0,496
Минимальное расстояние между двумя атомами, нм:
в одной цепочке....................................0,236
в соседних цепочках...................................0,345
Параметры кристаллической решетки а и р модификаций
моноклинного Se:
а b с Угол
а 9,05 9,07 11,61 90° 46
0 12,85 8,07 9,31 93°8'
В моноклинном Se минимальное расстояние между двумя
атомами, нм:
в одной цепочке.....................................0,234
в соседних цепочках ........ 0,380
Температура плавления, К.......................... 492±1
Температура кипения, К ........................ 958
Плотность Se, г/см3:
стекловидного........................................4,28
моноклинного.......................................4,47
гексагонального....................................4,80
Модуль Юнга, Н/м2 (гексагональная модификация) . 5,8• 102
Сжимаемость............................................. 1210~6
Коэффициент Пуассона..................... 0,45
Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, при 493 К 9,25-10 3
Коэффициент линейного расширения:
стекловидного Se при:
303 К............................................53 10-°
273 К............................................47-10“®
223 К............................................40-10“®
173 К.............................................35 -10“®
123 К.............................................32-10“®
гексагонального Se при:
473 К............................................50-10-®
423 К.............................................40-10“6
373 К............................................33-10“®
323 К . ..........................................27 -10“®
273 К............................................22-10“®
монокристаллического Se при:
288...328 К ( II оси)..............................-18-10“®
293...333 К (-L оси)...............................+47-10“®
Коэффициент преломления в инфракрасной области . . 2,5
Теплоемкость, Дж/(моль-К), при 298 К.....................25,36
Удельное сопротивление, Ом-см:
металлического Se при:
291 К........................................................12
473 К..............................................1,2-10-®
аморфного Se при 291 К...............................1012...1013
Удельная электропроводность, Ом-см“!, жидкого Se
при 753 К................................................1,2 -10“4
Ширина запрещенной зоны, эВ (по фотоэлектрическим
измерениям).............................................. 1,79±0,01
Концентрация дырок, см“3, при 300 К......................10й
Подвижность дырок, см2/(В-с), при 300 К .... 1
Анизотропия электропроводности при 300 К 2... 10
Температурный коэффициент измерения ширины запрещен-
ной зоны, эВ/К...................................... —9-10“4
10
Полупроводниковые химические соединения. К ним относятся соединения
элементов различных групп периодической системы, соответствующие общим
формулам AniBv (JnSb, JnAs, JnP, GaSb, GaAs, GaP, AlSb); AnBv (CdSb,
ZnSb), AnBVI (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgSe, HgTe, HgS),
AIVBVI (PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe), а также некоторые
окислы свинца, олова, германия и кремния. Соединения металлов II группы с
серой, селеном, теллуром носят названия соответственно сульфидов, селенидов,
теллуридов.
Соединения AlnBv применяются в основном в изделиях электронной тех-
ники, работающих на сверхвысоких частотах. Соединения AnBv используются
в качестве эффективных люминофоров в видимой области светодиодов, датчи-
ков Холла, модуляторов и др. Соединения AlnBv, AnBVI и AIVBVI идут на
изготовление источников и приемников, света, индикаторов и модуляторов из-
лучений. Окисные полупроводниковые соединения применяются для изготовления
фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.
Физические свойства некоторых двухэлементных полупроводников приведены
в табл. 1.2—1.5.
Таблица 1.2. Физические свойства соединений типа AIHBV
Параметр AlSb GaSb InSb Al As GaAs InAs
Темпера- тура плав- ления, к Постоян- ная решет- ки, нм Ширина за- прещенной зоны, эВ 1333 998 798 1873 1553 1218
6,1 6,09 6,48 5,62 5,63 6,06
0,52 0,7 0,18 2,2 1,32 0,35
Диэлектри- ческая про- ницаемость Подвиж- ность, см2/(В с): 8,4 14,0 15,9 *
электро- нов 50 5000 60 000 — 4000 3000
дырок 150 1000 4000 — 400 200
Показа- тель пре- ломления света 3,0 3,7 4,1 — 3,2 3,2
Темпера- турный ко- эффициент линейного расшире- ния, К-1 6,9 10-6 5,5 IO-6 5,7-10-e 5,3-10-6
На основе большинства приведенных бинарных соединений можно получить
их твердые растворы— (CdTe)x(HgTe) i-x; (HgTe)x(HgSe) (PbTe)x(SnTe) t-x;
(PbSe)x(SnSe)i-x и многие другие.
Диапазон применения твердых растворов для изготовления большинства по-
лупроводниковых приборов и устройств практически неограничен, однако до
настоящего времени этому препятствует отсутствие воспроизводимой технологии
получения самих материалов и р — «-переходов на их основе.
II
Таблица 1.3. Физические свойства соединений типа AIIBVI
Параметр CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe
Относительная молеку- лярная масса 72,0 95,2 120,5 120,0 143,0 168,0
Температура плавле- ния, к 1748 1523 1313 1383 1338 1177
Теплопроводность, Вт/(м-К) — — — 2,94 1,7 1,7
Ширина запрещенной зоны, эВ Подвижность, см2/(В-с): 2,4 1,8 1,5 0,6 0,55 0,6
электронов 200 200 600 600 900 300
дырок 20 — 50 400 500 300
Отношение эффективной массы электрона к мас- се свободного электрона 0,36 0,34 0,15 0,30
Таблица 1.4. Физические свойств^ карбида кремния
Параметр Числовые значения
Относительная молекулярная масса Состав (SiC:C) Постоянные кристаллической решет- ки, нм: кубической 40,1 70 : 30 а = 0,4357
гексагональной а = 0,3095 с =1,009
тригональной а = 0,357 с =1,754
Твердость по Моосу Плотность, г/см3, при 298 К Температура разложения, К Удельная теплопроводность, Вт/(м • К) Диэлектрическая проницаемость Ширина запрещенной зоны, эВ Подвижность, см2/(В с): электронов дырок Эффективная масса *: дырок электронов 9,5...9,7 3,2 2473 0,05 6,7 2,8 100 20 1,2 0,6
♦ В единицах массы свободного электрона.
12
Таблица 1.5. Физические свойства соединений A3 В У
Параметр Zn3P2 Cd3P2 Zn3As2 Cd3 As2
Температура плавле- ния, К Тип проводимости 1453 1012 1288 994
Р « Р «
Энергия ионизации примесей Еь эВ 0,49...0,61 0,3 0,14
Ширина запрещенной зоны, эВ 1,20 0,50 0,93 0,13
Удельное сопротивле- ние, Ом см, приЗООК Термо-ЭДС при 300 К, мВ/К 1О3...1О5 3,5 10-3 10 2 -IO-?»
1,2...1,8 -0,15 0,2 -0,06
Подвижность элект- ронов и дырок, см2/(В с), при 300 К 10 1500 17 10 000
Эффективная масса носителей * — 0,12 — •—
Концентрация носите- лей, см~3, при 300 К — (3...6) • 1017 7,ЗЮ17 2 IO18
* В единицах массы свободного электрона.
Материалы для легирования и создания р—«-переходов в полупроводниках
методами вплавления. При заданной температуре и времени выдержки в полу-
проводнике растворяется определенное количество примеси (рис. 1.4, 1.5). Обыч-
но донорные и акцепторные элементы в чистом виде не могут быть вплавлены
в полупроводниковые кристаллы. Для этой цели применяют сплавы, содержа-
щие легирующие элементы в определенной концентрации. Основой сплавов яв-
ляются металлы: свинец, олово, индий, золото, серебро, алюминий и некоторые
другие. Такие электродные сплавы используют для получения р — «-переходов,
омических контактов и соединений.
Ацепторные элементы. Алюминий (А1) в расплавленном состоянии
активен, вступает в реакцию с металлами. При температуре выше 1273 К алю-
миний образует сплавы с графитом и кварцем, а выше 850 К — с кремнием
(рис. 14,6). Температурные зависимости отношения глубины вплавления х алю-
миния в кремний к толщине кремния t, а также ширины рекристаллизованного
слоя показаны на рис. 1.6 и 1.7.
Галлий (Ga) используют как легирующую примесь для увеличения актив-
ности эмиттера и создания омических контактов. Склонен к переохлаждению и
кристаллизуется с увеличением объема в виде ромбической решетки.
Бор (В) известен двух разновидностей — аморфный (порошок бурого цве-
та) и кристаллический (кристаллы белого цвета). В германии и кремнии бор
является акцепторной примесью с высокой предельной растворимостью В жид-
ких германии и кремнии бор хорошо растворяется, его в^небольших количествах
вводят в состав электродных сплавов При легировании кремния и электродных
сплавов часто используют промежуточные соединения бора (борный ангидрид
В20з, галогениды бора), которые служат источником бора.
Индий (In) и сплавы на его основе служат основными материалами для
получения р — «-переходов на германии электронного типа проводимости и не-
выпрямляющих контактов на германии дырочного типа проводимости. С крем-
нием сплава на основе индия не образуется.
Донорные элементы. Сурьма (Sb) используется для легирования
полупроводниковых материалов, а также в качестве легирующей добавки к
электродным сплавам для кремния и германия. В твердом германии сурьма
13
r.r
а/
Рис. 1.4. Зависимость растворимости примусных элементов от температуры в
германии (а) и кремнии (б)
Рис. 1.5. Зависимость максимальной
растворимости элементов ХМах от
коэффициента К в твердых германии
(о) и кремнии (•)
14
w
Рис. 1.6. Температурная зави-
симость отношения глубины
вплавления х алюминия в
кремний к толщине алюми-
ния t
Рис. 1.7. Температурные зави-
симости ширины рекристалли-
зованной области /ip
растворима до 1,2-1019 см~3, в твердом кремнии — до 5-Ю19 см-3. Легирование
осуществляют чистой сурьмой либо ее сплавом. Со многими металлами сурьма
образует сплавы, однако с увеличением ее содержания хрупкость сплава резко
возрастает.
При нагреве до температуры плавления сурьма окисляется слабо, при плав-
ке в открытой атмосфере образуется летучая окись, появление которой можно
предотвратить, применив защитную атмосферу. Заметная летучесть сурьмы на-
блюдается при ее нагреве до 923...973 К в вакууме.
Фосфор (Р), соединяясь с германием и кремнием, может образовывать их
фосфиды GeP и SiP. Фосфор и его соединения используют для легирования
кремния при получении слитков и создания р — n-переходов. Из-за высокой ле-
тучести фосфор не вводят непосредственно в расплавы полупроводников, а до-
бавляют в виде сплавов или лигатур. Фосфор имеет несколько аллотропических
видов, из которых применяют белый (кристаллы) и красный (порошок) фосфор.
Белый фосфор хранят под водой и по возможности в темноте. В отличие
от красного белый фосфор ядовит. Белый фосфор легче вступает в реакции с
различными элементами, при низких температурах медленно окисляется на воз-
духе и воспламеняется при температуре 313 К. Красный фосфор на воздухе
почти не окисляется и воспламеняется лишь при температуре 513 К.
Наиболее характерный окисел фосфора — фосфорный ангидрид Р2О5 энер-
гично поглощает влагу, применяют его в качестве осушителя газов. Взаимодей-
ствие фосфорного ангидрида с водой приводит к образованию метафосфорной
КИСЛОТЫ НРОз, пирофосфорной КИСЛОТЫ Н4Р2О7 и ортофосфорной (фосфорной)
КИСЛОТЫ Н3РО4.
Красный фосфор возгоняется без плавления при температуре около 693 К.
Понижение температуры во время процесса синтеза ниже 553 К приводит к
появлению жидкого белого фосфора, который имеет более высокую упругость
паров и в красную исходную модификацию переходит очень медленно. Преры-
вание начатых процессов плавки крайне нежелательно. Если произошло охлаж-
дение ампулы, содержащей свободный фосфор, последующий нагрев необходимо
производить очень медленно для предотвращения взрыва.
Мышьяк (As) — элемент с преобладанием неметаллических свойств, при
нагревании на воздухе образует трехокись мышьяка As2O3 При нагревании вы-
ше 883 К при давлении 1 МПа мышьяк возгоняется не плавясь. При быстрой
конденсации на поверхности, охлаждаемой жидким воздухом, пары образуют
желтый мышьяк — мягкие, как воск, кристаллы, которые легко окисляются на
воздухе, а под действием- света и нагрева переходят в серый мышьяк.
15
Элементарный мышьяк не ядовит, однако многие его соединения, особенно
трехвалентного мышьяка, являются сильнейшими ядами. При проведении терми-
ческих процессов необходимо обеспечить надежную защиту от окислившегося
мышьяка.
Висмут (Bi) является донором со слабой растворимостью. Добавка его в
электродные сплавы улучшает их смачиваемость. Висмут обладает хрупкостью
и обработке давлением не поддается. Для него характерна низкая окисляемость
даже при повышенных температурах, что позволяет проводить его плавку с
другими элементами на воздухе.
Материалы для электродных сплавов. Олово (Sn)—основной составной
материал большинства мягких (низкотемпературных) припоев, электродных
сплавов в качестве носителя донорных элементов. С германием олово легко
сплавляется. Олово с добавлением сурьмы служит стандартным электродным
материалом для получения невыпрямляющих контактов на электронном герма-
нии. Является практически единственным носителем фосфора.
Свинец (РЬ) используют как составную часть различных припоев: ПОС-40
(60% свинца, 40% олова), ПОС-60 (60% олова, 40% свинца) и др. С кремнием
свинец не образует сплавов. При нагревании на воздухе и при длительном
нагреве выше температуры плавления свинец полностью окисляется. Промыш-
ленные сорта свинца содержат от 0,008 до 0,5% примесей. Примеси в свинце
увеличивают его твердость и снижают пластичность.
Золото (Au) — основной компонент многих электродных сплавов, особенно
для кремния. Золото с добавкой сурьмы применяют для получения невыпрям-
ляющих контактов к кремнию электронного типа проводимости. Легко паяется
мягкими припоями и хорошо сплавляется с кремнием и германием.
Серебро (Ag) используют как основную часть электродных сплавов для
германия и кремния, а также как основу большой группы твердых (высокотем-
пературных) припоев для пайки металлов, так называемых серебряных припоев.
Окись серебра Ag2O разлагается при нагревании выше 723 К, поэтому серебро
можно плавить в открытой атмосфере без опасности окисления.
Сплавы для р—«-переходов. Состоят из основы, определяющей геометри-
ческие параметры р — «-перехода, активных компонентов, изменяющих электро-
физические свойства рекристаллизованного слоя, и легирующих добавок, которые
создают р — «-переход.
Сплавы для германия. В их основу входят олово, индий и свинец.
Для температур вплавления с 573 до 723 К основой является олово, с 723 до
873 К — индий, а с 973 до 1023 К — свинец. Часто используют сплавы РЬ—In,
РЬ — Sn, Pb — In — Sn, обеспечивающие требуемую температуру вплавления.
Для улучшения смачивания германия и равномерного вплавления в электродные
сплавы на основе индия вводят цинк (1...3%) или благородные металлы — зо-
лото (1...3%), серебро (0,1...1%).
Требуемый тип проводимости электродного сплава задают введением в ос-
нову сплава донорных или акцепторных элементов. Акцепторные элементы вво-
дятся в электродный сплав при создании р — «-перехода на германии «-типа
проводимости. Если в основе электродного сплава лежит индий, он сам является
акцепторной примесью с максимальной растворимостью в германии 1010 см~3.
При создании коллекторных р — «-переходов на германии используют сплавы
In — Zn (до l%Zn), In —Au (до 3% Au) и РЬ — In (20...50% In). В качестве
эмиттерных сплавов применяют In — Ga (0,5% Ga), In — Au — Ga (1% Au,
0,5% Ga), Pb —Ag —Ga (30% Ag, 1% Ga), Pb - In — Ga (30% In, 1% Ga).
Донорные элементы входят в электродный сплав в случае получения
р — «-перехода на германии p-типа проводимости. В качестве донорных эле-
ментов используют сурьму или мышьяк, которые легко вводятся в основу элект-
родного сплава или свинца.
Распространение получили электродные сплавы, легированные сурьмой
РЬ — Sb (1...3% Sb), Sn — Pb — Sb (2% Sb), а также мышьяком Pb — As
(до 3% As) и Sn — As (до 4% As).
Сплавы для кремния. Для создания р — «-переходов на кремнии
«-типа проводимости применяют алюминий, в который вводят акцепторные при-
меси — бор или галлий. Для создания р — «-переходов в кремнии p-типа про-
водимости в качестве основы электродных сплавов используют золото и олово
16
и сплав золото — серебро. Легирующими донорными элементами являются фос-
фор, мышьяк и сурьма. Основой сплавов может быть свинец с добавками ни-
келя (1...3%-) и серебра (до 15%)- Существует несколько разновидностей таких
сплавов: Pb — Ag — Sb (15% Ag, 1% Sb), Pb — Ni — In (5% In, 3% Ni) и др.
Сплавы для соединений типа AmBv. Для соединений типа
AniBv элементы II группы периодической системы являются акцепторами, а
элементы VI группы — донорами. На материалах p-типа проводимости для об-
разования р — «-переходов применяют сплавы свинца и олова с добавками тел-
лура и селена, а на материалах «-типа проводимости — сплавы цинка и кадмия.
Сплавы для омических контактов. Наиболее часто омические контакты име-
ют структуру п — п+- или р — р+-типа, где п- и p-области соответствуют исход-
ным полупроводниковым материалам, а п+- и р+-области образованы дополни-
тельным легированием исходных материалов вплавлением в них соответствую-
щих электродных сплавов для омических контактов. Для создания структур
п — «+-типа в сплавы добавляют донорные, а для структур р — р+-типа — ак-
цепторные элементы. Для получения омических контактов к полупроводниковым
приборам используют чистые металлы и сплавы. Температуру плавления спла-
вов для омических контактов выбирают несколько ниже температуры плавле-
ния сплавов для получения р — «-переходов.
Сплавы для омических контактов с германием. Для оми-
ческих контактов с германием p-типа применяют сплавы РЬ — In с содержанием
индия 10...60%. Сплавы с более низким содержанием индия применяют для
высокоомного германия. Для германия «-типа используют сплавы РЬ — Sn
(3...5% Sb) и РЬ — As (0,5...3% As). При температурах вплавления порядка
573 К используют сплавы на основе олова (например, Sn — Bi, Sn — Pb) с ле-
гирующими присадками сурьмы и мышьяка (для германия «-типа проводимости)
и индия (для германия p-типа проводимости). При температурах вплавления
773...963 К используют сплавы Си — Ag — Sb (27% Ag, 3% Sb).
Сплавы для омических контактов с кремнием. Для омиче-
ских контактов на кремнии «-типа проводимости используют сплавы Au — Sb
(до 1% Sb), а на кремнии p-типа проводимости сплавы Au — Ga (до 1% Ga).
Иногда для частичной замены золота в них добавляют серебро и применяют,
например, сплав Ag — Au — Ga (30...70% Ag, до 20...60% Au, до 10% Ga).
Для омических контактов на кремнии применяют также сплавы на основе
свинца. На кремнии p-типа проводимости используют сплавы Pb — Ag (15% Ag)
и РЬ — Ag — Ga (3% Ag, 1% Ga), а на кремнии «-типа проводимости — сплав
Pb — Ag— Sb (15% Ag, 1% Sb). Вместо серебра в эти сплавы можно вводить
никель: для кремния «-типа проводимости применяют сплавы РЬ — Ni — Sb
(3% Ni, 1% Sb) и Pb —Ni —As (3% Ni, 1% As), а для кремния p-типа про-
водимости — сплав Pb —In — Ni (3% Ni, 5% In).
1.2. Методы направленной кристаллизации из расплавов
Кристаллизация расплава, при которой тепло отводится от фронта кристал-
лизации преимущественно в одном направлении, называется направленной. Си-
стема с одной фазовой границей — фронтом кристаллизации — носит название
неконсервативной направленной кристаллизации (в дальнейшем просто направ-
ленной кристаллизации). Консервативная направленная кристаллизация — зон-
ная плавка или зонная перекристаллизация — характеризуется наличием в си-
стеме двух фазовых границ: фронта плавления и фронта кристаллизации
(рис. 1.8).
Кристаллизация чистого расплава. Для поддержания фронта кристаллиза-
ции на расстоянии х от начала растущего кристалла (рис. 1.9) необходимо
равенство тепловых потоков в кристалле и его расплаве (кривая / на рис. 1.9, а).
Это соответствует равенству температуры на фронте кристаллизации Тф.к тем-
пературе плавления Тпл кристаллизуемого вещества. Для перемещения фронта
кристаллизации необходимо, чтобы кристаллические зародыши росли, что реа-
лизуется при наличии переохлаждения АТ в жидкой фазе (кривая 2 на
рис. 1.9,а). Наклон кривой температурного градиента в жидкости определяет
величину переохлажденного слоя Дх.
2 Заказ № 1270
17
I
a)
+ + + -и Жидкий подпитывающий
-Л-W материал
Растущий кристалл или
перекристаллизованный
материал
Твердый подпитывающий
материал
3 Рабочий расплав
Рис. 1.8. Методы направленной кристаллизации расплава:
а—д — консервативные (А=0, vp=const); е—о — неконсервативные (А=#=0, vp=#=const); а —
ординарная зонная плавка (вертикальный вариант не показан); б — гарнисажный вариант
метода Чохральского; в — метод вытягивания с пьедестала; г — метод плавающего тигля;
д — метод подпитки кристаллизуемого расплава твердой фазой (по Д. А. Петрову); е —
направленная кристаллизация (вертикальный вариант не показан); ж — метод Чохраль-
ского; з — метод подпитки кристаллического расплава твердой фазой (А<1); u — то же,
что и позиция з (А<0); к — метод двойного тигля (А<1); л — зонная плавка с увеличи-
вающимся объемом расплава в зоне (штриховой линией показана конечная длина рас-
плавленной зоны, А<0); м — то же, что и позиция л, с уменьшающимся объемом рас-
плава (А<1); м — зонная плавка слитка переменного сечения (А<0); о — то же, что и
позиция н (А<1); А — параметр подпитки
Рис. 1.9. Влияние распределения температуры в расплаве на характер фронта
кристаллизации при положительном (а) и отрицательном (б) градиентах тем-
пературы в расплаве:
1, 2 — при неподвижном и движущемся фронтах кристаллизации; Q — теплота, выделяю-
щаяся в процессе кристаллизации
18
Рис. 1.10. Участки диаграммы состояния системы чистое вещество А — при-
месь В при малой концентрации примеси:
а —В понижает точку плавления A (k0<l); б —В повышает точку плавления A (60>1):
Ж — жидкая фаза; Тв — твердая фаза
Возможен рост кристалла из расплава при отводе тепла в его переохлаж-
денную область. Градиент температуры при этом отрицателен (рис. 1,9,6). Если
же на поверхности фронта кристаллизации образуется небольшой выступ, то
его вершина попадает в переохлажденную область и скорость роста вершины
возрастает.
По мере продвижения в глубь расплава выступ будет превращаться в иглу,
первичная ветвь которой служит основой для возникновения следующих ветвей.
Образующаяся таким образом структура называется дендритной.
Кристаллизация расплава, содержащего примесь. Добавление примеси к чи-
стому веществу повышает или понижает его температуру плавления. Зависи-
мость температуры плавления вещества от концентрации примеси приведена
на рис. 1 10, где 1—4 (рис. 1.10, а)—линия ликвидуса, а 2—3 — линия солидуса
системы чистое вещество А — примесь В. В общем случае линии ликвидуса и
солидуса криволинейны. Однако в области малых концентраций (массовая доля
примеси менее 1-10-3%) они линейны.
При описании линий ликвидуса и солидуса прямыми соотношение концен-
траций примеси в твердой (Nx) и жидкой (Сх) фазах при любых температурах
будет постоянной величиной, которая называется равновесным коэффициентом
распределения (сегрегации) kQ:
kQ=Nx/Cx. (И)
Если введение в чистое вещество А примеси В понижает его температуру
плавления, то значения &0<1 (рис. 1.10, а). Возможен и обратный случай —
&о>1 (рис. 1.10,6).
При &0<1 выпадающая твердая фаза содержит меньше примеси, чем ис-
ходный расплав, и избыток примеси накапливается перед движущимся фронтом
кристаллизации, создавая диффузионный слой, из которого примесь переходит
в объем расплава.
Толщина диффузионного слоя 6 зависит от интенсивности перемешивания
расплава, его вязкости и коэффициента диффузии D примеси в расплаве. В ре-
зультате реальный эффективный коэффициент распределения при конечной ско-
рости движения фронта кристаллизации f отличается от равновесного k0 (при
f«0) (рис. 1.11).
Связь между эффективным k и равновесным kQ коэффициентами распреде-
ления примеси выражается уравнением Бартона — Прима — Слихтера
&о4" (1—&о)ехр(—f6/Dж)
где f — скорость кристаллизации, см/с; 6 — толщина диффузионного слоя, см;
— коэффициент диффузии примеси в расплаве, см2/с.
2*
Рис. 1.11. Распределение примеси перед фронтом
кристаллизации, движущимся с пренебрежительно
малой (а) и конечной (б) скоростями, в результате
чего перед фронтом кристаллизации возникает пе-
реохлажденная область (в), ограниченная линиями
ликвидуса и градиентом температуры Т в расплаве
(Т1>Т2>Тз)
Эффективный коэффициент распределения учиты-
вает взаимодействие расплава с внешней средой.
Оценкой такого взаимодействия является коэффици-
ент взаимодействия а (см/с), характеризующий из-
менение концентрации примеси в расплаве за еди-
ницу времени с единицы поверхности расплава при
единичной разности (между равновесной и текущей)
концентрацией.
Время насыщения т расплава примесью задан-
ной концентрации определяется уравнением
2,3Vlg(Cp-C)/(Cp-C0)
т=-------------, (1.3)
aF
где V — объем расплава, см3; Со, С — начальная и
текущая концентрации примеси в расплаве, см-3;
Ср — равновесная концентрация примеси в распла-
ве, см-3; Р — поверхность расплава, см2.
С учетом коэффициента взаимодействия а изме-
нение концентрации примеси в расплаве в ходе кристаллизационного процесса
выражается единым коэффициентом К
K=k+kn,
(1.4)
носящим название обобщенного коэффициента распределения и являющимся
суммой двух коэффициентов: k — эффективного коэффициента распределения
лримеси между кристаллом и расплавом (1.1) и kn — эффективного коэффици-
ента распределения примеси между расплавом и паровой фазой, определяемо-
го как
kn=(a/f)y, (1.5)
где а — коэффициент взаимодействия, см/с; f — скорость кристаллизации рас-
плава, см/с; у — геометрический фактор, выражающий соотношение поверхности
кристаллизуемого расплава и сечения выращиваемого кристалла.
Каждый из этих коэффициентов изменяется в пределах: при k<l /г0<^К;
при k>\ kQ>k^K’, при f=0 0<kn^<x>. Для нелетучей примеси kn = G и тогда
K=k.
Основными методами неконсервативной направленной кристаллизации яв-
ляются методы, приведенные на рис. 1.8 и 1.12.
Вертикальный метод Бриджмена. Метод Бриджмена аналогичен методу
Стокбаргера, однако в отличие от последнего в нем применяются контейнеры
специальной формы (метод иногда называют методом Бриджмена — Стокбарге-
ра). Полупроводниковый материал (соединение) помещают в кварцевую или
стеклянную запаянную ампулу (тигель), нижний конец которой чаще всего
оканчивается сужением — капилляром. Подвешенную ампулу (рис. 1.13, а)
соединяют с механизмом, который обеспечивает медленное и равномерное ее
опускание в трубчатой печи. Вдоль печи, на одном из ее концов, должен су-
ществовать градиент температур. С этой целью часто используют охлажденную
диафрагму.
Вначале расплавляют весь исходный материал, затем медленно опускают
ампулу. Вещество, находящееся в капилляре, кристаллизуется в первую очередь.
Поскольку объем капилляра невелик, в нем зарождается небольшое число кри-
сталлических зародышей. Один из них получает наиболее эффективные условия
ориентации роста и превращается в центр кристаллизации, приглушая рост ос-
20
ж)
Рис. 1.12. Схемы неконсервативных (а—г) и консервативных (д—ж) процессов
направленной кристаллизации расплавов:
а, г — вертикальный и горизонтальный методы Бриджмена; б — обычный метод Чохраль-
ского (из простого тигля); в — метод жидкостной герметизации Чохральского; д — метод
зонной плавки или перекристаллизации, вертикальный, бестигельный; е — то же, что и
позиция д, горизонтальный, контейнерный; ж — гарниссажный метод Чохральского (с
электронно-лучевым нагревом); 1 — нагреватель (резистивный, высокочастотный, элек-
тронно-лучевой); 2 — контейнер (тигель, ампула, лодочка); 3 — расплав; 4 — кристалл;
5 —исходная загрузка; 6 — герметизирующая жидкость (флюс); Vo — объем закристалли-
зованной части расплава; V — объем расплава
Рис. 1.13. Вариация формы сосудов и ее влияние на кристаллизацию при вы-
ращивании монокристаллов методом Бриджмена
г) д) е)
тальных зародышей. Различные формулы ампул, которые применяются при выра-
щивании монокристаллов данным методом, приведены на рис. 1.13, а — е.
Скорость рекристаллизации в данном методе равна скорости движения тигля
или нагревателя.
Горизонтальный метод Бриджмена (рис. 1.12, г). Используется в основном
для синтеза поликристаллических соединений (в том числе сложных), служащих
исходным материалом для выращивания другими методами. На примере GaAs
метод осуществляют в вакуумированных и запаянных кварцевых ампулах, в
одном конце которых помещают кварцевую лодочку с мышьяком, а в другом —
21
12 3 4 5 6 7 8 9 10
\\\ \ \ / /// /
883...898К
Рис. 1.14. Схема установки для синтеза и выращивания высокочистых моно-
кристаллов арсенида галлия горизонтальным методом Бриджмена (а) и рас-
пределение температуры по длине установки перед началом кристаллизации
расплава (б):
/ — многосекционный печной блок; 2 — кварцевая труба; 3 — запаянная кварцевая ампу-
ла; 4 — кварцевая лодочка; 5 — смотровое окно; 6 — монокристаллическая затравка; 7 —
кварцевая перегородка с капиллярной трубкой (диффузионный барьер); 8 — источник
Ga2O (смесь Ga + Ga2O3); 9 — кварцевая лодочка с мышьяком, 10 — термопара
с галлием (рис. 1.14). Для получения GaAs стехиометрического состава давле-
ние паров мышьяка в ампуле поддерживают с точностью ± (0,1...0,2) К. Абсо-
лютное значение температуры конденсированной фазы составляет 883...898 К.
Для снижения вибрации расплава движение фронта кристаллизации осущест-
вляется путем перемещения печного блока относительно неподвижной ампулы.
Метод обеспечивает создание монокристаллов с плотностью дислокаций около
5-Ю3 см-2.
Метод Чохральского. В расплавленное нагревателем 1 вещество 3, которое
находится в тигле 2 и имеет температуру, близкую к температуре плавления,
опускают монокристаллическую затравку 4 того же состава, что и расплав
(рис. 1.12,6). Далее приводят в действие подъемный механизм затравки, при
этом затравка смачивается расплавом и увлекает его вверх, вследстие чего
расплав на затравке нарастает в виде кристаллической фазы. Метод обеспечи-
вает получение полупроводниковых материалов в форме совершенных моно-
кристаллов с определенной кристаллографической ориентацией и с минимальным
числом дефектов, малоугловых границ, двойников и т. д. Возникновение струк-
турных дефектов происходит на различных стадиях роста, основными из кото-
рых являются следующие.
Затравливание. Для незначительного количества дислокаций в вы-
ращиваемом монокристалле необходимо минимальное содержание их в затравке.
Для этого поверхностные повреждения удаляют полированием и химическим
травлением. Сечение затравки должно быть минимальным. В момент контакта
холодной затравки с поверхностью расплава в ней происходит размножение
дислокаций. Поэтому затравку перед погружением в расплав постепенно про-
гревают над ним до высоких температур.
После погружения конца затравки в расплав и оплавления ее приступают
к операции выращивания «шейки»— тонкого и длинного монокристалла. Диаметр
«шейки» не должен превышать линейного размера поперечного сечения затравки,
а длина «шейки»— нескольких ее диаметров. Выращивание «шейки» проводят
с большой линейной скоростью для вытеснения дислокаций вблизи фронта
кристаллизации.
Выход на диаметр. Выход монокристалла на диаметр необходим с
малым углом разращивания, что снижает термические напряжения, а тем са-
мым и плотность дислокаций. При величине угла разращивания монокристалла
кремния 60° плотность дислокаций в нем составляет около 105 см~2, а при
10° — 103 см-2.
Рост цилиндрической части монокристалла. На этой ста-
дии роста основными являются тепловые условия процесса.
Радиальный градиент температуры (Gr, град/см) определяется разностью
температур в сечении кристалла на его поверхности Та и в центре Тд:
Gr^ATr/^^(T4-Tu)/rt
(1.6)
где г —радиус кристалла.
Осевой градиент температуры в кристалле (GXt град/см) определяется раз-
ностью температур по его длине:
О««ДГх/х=(Г1~Г2)/х, (1.7)
где х — расстояние по длине кристалла, см.
Радиальный градиент температуры зависит в основном от тепловых потерь
с поверхности кристалла, его экранировки.
Вследствие неравномерного распределения температуры по длине и попереч-
ному сечению монокристалла его охлаждение протекает неравномерно. В ре-
зультате термических напряжений возникают дислокации. Под действием на-
пряжений и градиентов температуры дислокации перемещаются по плоскостям
скольжения. Такими плоскостями в решетках алмаза или сфалерита являются
(111). При увеличении угла между направлением роста кристалла и плоскостя-
ми (111) возникает вероятность удаления дислокаций. Для их выхода на по-
верхность монокристалла необходимы большие осевые градиенты температуры
и максимально допустимые скорости кристаллизации. Ряды дислокаций, распо-
ложенные по границам отдельных блоков монокристалла, взаимно разориенти-
рованных на угол менее 10° (малоугловые границы), характерны для полупро-
водников более чем для 50% всех монокристаллов.
Выращивание монокристаллов в направлениях, отличных от направления
[111], приводит к возникновению двойников (рис. 1.15). Причинами их образо-
вания являются термические напряжения, внезапные изменения диаметра моно-
кристалла и температуры расплава, попадание на фронт кристаллизации по-
сторонних включений. Наиболее склонным к двойникованию направлением роста
является [100].
Создание «обратного конуса». Перед отрывом выращенного
монокристалла от расплава диаметр его плавно уменьшают, создавая обратный
конус для предотвращения теплового удара, вызывающего размножение дисло-
каций при отрыве от поверхности расплава в тигле.
С целью уменьшения термических напряжений монокристалл после отрыва
от расплава поднимают над ним на небольшое расстояние и медленно понижают
температуру нагревателя.
Установки для выращивания монокристаллов методом
Чохральского.
По характеру атмосферы в рабочей камере установки для осуществления
метода Чохральского разделяют на вакуумные и газовые. Газовые обычно рас-
считаны на работу при нормальном (до 0,7-105 Па) давлении, однако для по-
лучения разлагающихся полупроводников применяют установки с высоким
(107 Па и более) давлением инертного газа.
В установках полунепрерывного выращивания производится непрерывная
или периодическая загрузка материала без охлаждения печи (рис. 1.16). Уста-
новки для получения кристаллов методом Чохральского состоят из трех основ-
ных блоков: питания (силовой блок), пульта управления и печного агрегата.
В комплект установки могут входить устройства для очистки газа и воды и ее
термостатирования.
Оптимизацию процесса выращивания монокристалла осуществляют микро-
Рис. 1.15. Схемы расположения двойников в монокристаллах кремния, выра-
щенных в направлении (111), вызванных попаданием постороннего включения
на грань (а) и на поверхность между гранями (б), изменением диаметра (в)
и температуры расплава (а)
23
Рис. 1.16. Схемы способов выращивания с непрерывной подпиткой из второго
тигля за счет создания разности уровней расплава в тиглях (а) и расплавле-
ния питающего поликристалла (б)
Их задачей является согласование температурных и скоростных параметров
процесса роста монокристалла для обеспечения постоянства его диаметра.
Сигнал об изменении диаметра растущего монокристалла поступает в си-
стему автоматического управления установкой от системы автоматического ре-
гулирования диаметра (САРД). Она может работать либо по оптическому прин-
ципу, либо по весовому (рис. 1.17). Первый, используемый при выращивании
монокристалла из открытого расплава, основан на изменении направления из-
лучения от мениска столбика расплава. При изменении диаметра растущего
монокристалла луч света от мениска отклоняется, что фиксируется чувствитель-
ным фотоэлектрическим датчиком (рис. 1.17, а). Второй принцип применяют,
когда поверхность расплава покрыта слоем флюса. В нем растущий монокри-
сталл непрерывно взвешивают с помощью чувствительных тензодатчиков, соеди-
ненных с затравкодержателем (рис. 1.17,6). В другом варианте такой САРД
вместо взвешивания растущего монокристалла взвешивают тигель с остатком
расплава. Применяемые САРД обеспечивают стабилизацию диаметра моно-
кристалла длиной до 2000 мм с точностью ±(1...1,5) мм в зависимости от диа-
метра.
Вакуумно-газовая система создает в рабочей камере печного агрегата уста-
новки требуемые вакуум или давление инертного газа либо проток его с задан-
ной скоростью Последнее особенно важно для современной технологии кремния,
в которой монокристалл выращивают при пониженном остаточном давлении
проточного инертного газа. Это обеспечивает удаление из зоны кристаллизации
6}
Рис. 1.17. Схемы системы ав-
томатического регулирования
диаметра монокристалла полу-
проводника, выращиваемого
методом Чохральского из рас-
плава, имеющего открытую
(а) и закрытую флюсом (6)
поверхности:
1 — тигель с расплавом; 2 — теп-
ловой узел; 3 — флюс, 4 — рабочая
камера установки; 5 — растущий
монокристалл; 6 — затравкодержа-
тель; 7 — шток; 8 — гибкая под-
веска; 9 — весоизмерительная го-
ловка с динамометрическим дат-
чиком; 10 — оптическая головка с
фотоэлектрическим датчиком; 11 —
направление луча света от мени-
ска столбика расплава
24
оксида кремния, попадание которого в расплав мешает росту монокристалла
и ухудшает его структуру.
Основная технологическая часть установки — печной агрегат. Он имеет ра-
му, на которой смонтированы водоохлаждаемая камера, содержащая тепловой
узел, а также приводы подъема и вращения затравкодержателя с растущим
монокристаллом и тигель с расплавом (рис. 1.18).
Водоохлаждаемые рабочие камеры установок для выращивания монокри-
сталлов полупроводников обычно имеют цилиндрическую форму. У мощных
установок для выращивания монокристаллов кремния основную рабочую ка-
меру дополняют шлюзовой камерой 6. С ее помощью, не выключая нагрева
тигля, можно извлекать из рабочей камеры выращенный монокристалл и про-
изводить догрузку в тигель новых порций исходного поликристаллического
кремния без нарушения герметичности пространства камеры и охлаждения тигля
с остатком расплава. Однако шлюзовое устройство позволяет загружать в ти-
гель материал только в форме стержней.
Для выращивания монокристаллов крем-
ния из небольшой массы расплава, подпиты-
ваемого жидким кремнием, используют конст-
рукцию, представленную на рис. 1.19. В ее
состав входят отдельные камеры: рабочая,
в которой выращивают монокристалл, и пла-
вильная, в которой приготовляют подпиты-
вающий расплав, подаваемый в рабочий ти-
гель сифоном, представляющим кварцевую
трубу, обогреваемую по всей длине электро-
нагревателем с удельной мощностью 20 Вт/см.
Помимо САРД, работающей по оптиче-
скому принципу, рабочая камера снабжена
лазерной системой контроля уровня расплава.
Излучаемый гелий-неоновым лазером луч све-
та отражается от поверхности расплава и че-
рез снабженную светофильтром оптическую
систему поступает к детектору. Сигнал от не-
го подается к микропроцессору, по командам
которого приводятся в действие автоматиче-
ские вентили, регулирующие давление инерт-
ного газа в плавильной камере, под действи-
ем которого подпитывающий расплав кремния
передавливается в рабочий тигель. Объемная
скорость подачи подпитывающего расплава
при выращивании монокристаллов диаметром
125... 150 мм составляет 0,2...0,3 см3/с, а точ-
ность поддерживания уровня расплава в ра-
бочем тигле ±0,5 мм.
Установка полунепрерывного действия
(рис. 1.19) позволяет выращивать из рабоче-
го тигля диаметром 400 мм, содержащего 8 кг
Рис. 1.18. Печной агрегат установки для вы-
ращивания монокристаллов кремния методом
Чохральского:
/ — механизм вращения монокристалла; 2 — меха-
низм подъема монокристалла; 3 — гибкая подвеска;
4 — шток; 5 — затравкодержатель; 6 — шлюзовая
камера; 7 — вакуумный шибер; 8 — смотровое окно;
9 — верхняя подвижная часть рабочей камеры; 10 —
зажим; 11 — нижняя неподвижная часть рабочей
камеры; 12 — графитовая подставка кварцевого тиг-
ля с ~расплавом кремния; 13— графитовый рези-
стивный нагреватель; 14 — экранировка теплового
узла; 15 — токоподвод; 16 — поддон; 17 — рама ус-
тановки; 18 — привод вращения и подъема тигля
25
Рис. 1.19. Схема установки
полунепрерывного действия для
выращивания крупных моно-
кристаллов кремния из рас-
плава небольшой массы:
/ — шток подъема и вращения рас-
тущего монокристалла 5; 2 — ге-
лий-неоновый лазер; 3 — оптиче-
ская головка САРД; 4 — камера
ростовой части установки; 6 —
кварцевый экран; 7 — расплав; 8 —
подставка тигля; 9 — нагреватель;
10 — шток вращения графитовой
подставки с кварцевым тиглем:
11 — детектор лазерной системы
стабилизации уровня расплава,
/2 — автоматический клапан для
подачи газа в камеру правой
части установки 14 или стравли-
вания газа из нее; 13 — обогрева-
емый сифон
Рис. 1.20. Схемы наиболее распространенных тепловых узлов с резисторным
нагревом, применяемых в установках для выращивания монокристаллов полу-
проводников методом Чохральского:
а и в — пассивные (полузакрытая и закрытая); б — активная; г—открытая, подвижная;
1 — верхний боковой экран; 2 — нагреватель кристалла; 4 — графитовая подставка с квар-
цевым тиглем, содержащим расплав; 5 — нагреватель тигля; 6 — боковые экраны; 7 —
потолочный экран; 8 — вращающийся боковой экран; 9 — донные экраны
расплава, монокристалл кремния диаметром до 150 мм и массой более 100 кг.
Рост монокристалла с подпиткой обеспечивает практически линейное распреде-
ление удельного сопротивления по длине монокристалла. Малый объем рабочего
расплава способствует также большей однородности удельного сопротивления
в поперечном сечении монокристалла. Вследствие уменьшения площади контакта
расплава с кварцем тигля содержание кислорода в монокристаллах кремния,
выращенных из малого объема расплава, почти вдвое меньше, чем выращен-
ных из большого.
Тепловой узел, размещенный в камере печного блока, состоит из подстав-
ки, тигля, нагревателя и системы экранов (рис. 1.20).
Подставку и нагреватель изготовляют из графита плотных марок (МПГ-6,
МПГ-8 и др.). Материал экранов зависит от характера атмосферы теплового
26
Рис. 1.21. Формы изотерм (штрихо-
вые линии) и потоков тепла (стрел-
ки) в расплаве при использовании
бокового (а) и донно-бокового (б)
способов подвода тепла к расплаву:
/ — кристалл; 2 — тигель; 3 — расплав;
4 — нагреватель
узла. В вакууме экраны изготовляют из полированных листов жаропрочного
металла (например, молибдена), в газовой среде — из графита или непрозрач-
ного (спеченного) кварца. Толщина дна и стенок подставки существенно влияет
на градиенты температуры в расплаве и монокристалле.
Нагреватели обеспечивают боковой (рис. 1.21, а) и донно-боковой
(рис. 1.21,6) подводы тепла к расплаву в тигле. В первом случае создается
плавный радиальный и резкий осевой градиент температуры по расплаву, во
втором реализуется обратная задача.
Существующие системы экранировки тигля с расплавом можно разделить на
закрытые (рис. 1.20, в) с малыми осевыми и радиальными градиентами темпера-
туры и открытые (рис. 1.20, г).
Влияние градиентов температуры в расплаве на диа-
метр растущего монокристалла. Область переохлажденного распла-
ва возникает в центре находящегося в тигле расплава. Оптимальным соотноше-
нием внутреннего диаметра тигля D и высоты расплава Н в нем является
Н/Д ~0,5...1. Для кремния и германия оптимальное отношение диаметра тиг-
ля D к диаметру выращиваемого из него монокристалла d 2,5...3,5. Форма дна
тигля также влияет на характер градиентов температуры в расплаве. В тиглях
с .плоским дном конвекция в расплаве по всему объему несовершенная, поэтому
используют тигли со сферическим дном.
Размер переохлажденной области в расплаве (рис. 1.22) определяет диаметр
растущего монокристалла. Если в процессе роста градиенты температуры по
расплаву сохраняются постоянными, то диаметр растущего монокристалла по-
стоянен. При изменении градиентов температуры в расплаве изменяются высота
и форма мениска столбика расплава под кристаллом (рис. 1.23).
Высота столбика (обычно 3...5 мм) прямо пропорциональна поверхностному
натяжению расплава и обратно пропорциональна его плотности и радиусу мо-
Рис. 1.22. Влияние осевого г0 и ра-
диального гр градиентов температу-
ры в расплаве на размеры переох-
лажденной области в расплаве
(штриховые линии), определяющей
оптимальный размер растущего мо-
нокристалла:
Н — координата высоты расплава; R —
координата радиуса расплава в тигле;
Т — температура расплава; г, h — радиус
и глубина переохлажденной области в
расплаве соответственно
Рис. 1.23. Влияние изменения темпе-
ратуры расплава Ту скоростей кри-
сталлизации и вращения кристалла,
выращиваемого методом Чохраль-
ского, на изменение его диаметра:
а) Т}, fi, (01, hj, D^const;
б) (02<(0i, h02>h01,
b) T’gCT’j, (03><0b h03>/i01, O3>Dt
27
Рис. 1.24. Расположение
кристаллических плоскостей
(111) в цилиндрическом
монокристалле полупровод-
ника (а), имеющем алма-
зоподобную структуру, и
их влияние на огранку мо-
нокристалла псевдограня-
ми; поперечное сечение
монокристалла (б)
нокристалла. Изменение высоты и формы мениска столбика расплава под
кристаллом влияет на диаметр растущего монокристалла.
Размер диаметра монокристалла сильно зависит от изменения числа обо-
ротов тигля с расплавом. Увеличение их приводит к уменьшению размеров
переохлажденной области в расплаве (рис. 1.23) и уменьшению диаметра мо-
нокристалла.
Рассмотрим особенности морфологии поверхности монокристалла с алмазо-
подобной структурой, выращиваемого из расплава в наиболее распространен-
ном кристаллографическом направлении [111] (рис. 1.24, а). При росте цилинд-
рической части монокристалла с расплавом контактируют базовая грань ADF
и три сходящиеся к направлению роста боковые грани CDF, EDA и BFA. Вы-
ходы боковых граней на цилиндрическую поверхность монокристалла образуют
на ней три плоские псевдограни, расположенные под углом 120° друг к другу,
т. е. в форме равностороннего треугольника (рис. 1.24,6). У монокристаллов,
выращенных в кристаллографическом направлении [100], такие псевдограни
располагаются в форме квадрата, а в направлении [ИО]—в форме ромба
(рис. 1.24,6). Эти фигуры являются проекциями октаэдра, размещенного соот-
ветствующим образом к кристаллографическому направлению роста монокри-
сталла, на плоскость его роста.
Пересечение растущих граней (111) октаэдра образует на цилиндрической
поверхности монокристалла так называемые псевдоребра. Они имеют форму
небольших выступов, проходящих параллельно оси роста монокристалла и рас-
положенных между псевдогранями. Число и расположение псевдоребер соот-
ветствуют расположению углов фигуры, являющейся проекцией октаэдра на
плоскость роста монокристалла,— треугольника, квадрата или ромба
(рис. 1.24,6).
На практике форма монокристалла определяется двумя противоположными
процессами: один из них — развитие плотноупакованных граней (111) —стремит-
ся придать растущему монокристаллу равновесную форму октаэдра, другой —
действие сил поверхностного натяжения расплава — способствует получению
круглой формы у растущего монокристалла. В результате монокристаллы по-
лупроводников, расплавы которых обладают большим поверхностным натяже-
нием, например кремния, имеют форму правильного цилиндра с едва заметными
псевдоребрами. Оособенно резко это проявляется при увеличении диаметра мо-
нокристалла. Монокристаллы полупроводников, обладающих малым поверхност-
ным натяжением расплава, например германия, хорошо ограняются псевдогра-
нями, особенно при небольшом диаметре растущего монокристалла.
Стремление монокристалла к огранке возрастает не только с уменьшением
28
его диаметра, когда силы поверхностного натяжения малы, но и при малых
радиальных градиентах температуры в расплаве. Этому способствует также
увеличение скорости вращения монокристалла. Оно уменьшает радиальный
градиент температуры в расплаве за счет его перемешивания и уравновешивает
действие сил поверхностного натяжения центробежными силами.
Периодический характер кинетики гетерогенного процесса образования но-
вой фазы, которому подчиняется и процесс кристаллизации расплава, проявля-
ется в возникновении на цилиндрической поверхности монокристалла периодиче-
ской мелкой нарезки, представляющей собой торцы монокристаллических слоев
микроскопического размера, растущих на плоскостях, ограняющих фронт кри-
сталлизации.
Метод Киропулоса. Данным методом выращивают щелочно-галоидные
кристаллы из расплава (рис. 1.25). Он отличается от метода Чохральского тем,
что фронт кристаллизации расположен под «зеркалом» расплава.
Исходная кристаллическая соль 2 расплавляется в цилиндрическом тигле 4
и нагревается до температуры, которая превышает температуру плавления на
100... 120 К. На поверхность перегретого расплава опускают закрепленный на
охлаждаемом стержне 6 затравочный кристалл и начинают медленно снижать
температуру расплава. На границе раздела кристалл — расплав за счет отвода
тепла через стержень создается переохлаждение, и на затравке начинает расти
монокристалл 1. Кристалл растет в радиальном направлении от затравки к
стенкам тигля, не распространяясь в глубину.
Когда диаметр кристалла достигает размеров, близких к внутреннему диа-
метру тигля, стержень с растущим кристаллом начинают медленно поднимать,
следя за тем, чтобы фронт кристаллизации находился под поверхностью рас-
плава. На стенках тигля обычно образуются наросты паразитных кристаллов.
При выращивании крупных кристаллов необходимость подъема выращивае-
мого кристалла отпадает, так как уровень расплава опускается за счет сокраще-
ния его объема при кристаллизации (для NaCl, КС1 на 15... 17 %). Для предот-
вращения испарения и образования окислов над поверхностью расплава внутри
герметичного кварцевого сосуда 5 поддерживают почти атмосферное давление
инертного газа. Заготовка или расплав вращаются с частотой 2 мин-1. В тече-
ние суток вырастает кристалл, например КС1, массой 2 кг.
При работе по методу Киропулоса необходимо тщательно выдерживать
температурный режим расплава, нагреватели для уменьшения градиента тем-
пературы закрывают выравнивающим экраном 3 (рис. 1.25).
Рис. 1.25. Схема установки для вы-
ращивания кристаллов щелочно-гало-
идных солей
Рис. 1.26. Выращивание кристаллов
методом Вернейля
29
Метод Вернейля. Применяют для выращивания кристаллов г температурой
плавления 117...2773 К — корундов, титанатов бария, стронция, сурика и др.
На рис. 1.26 приведена схема установки для получения кристаллов рубина.
Химически чистый оксид алюминия (А120з) с добавкой оксида хрома
(Сг20з) в виде порошков с частицами размером от 1 до 20 мкм загружается
в бункер 2. Под действием встряхивающего устройства 1 порошок через сет-
чатое дно бункера попадает в струю водородно-кислородного пламени горел-
ки 3,
Снизу через муфель 6 вводится ориентированный затравочный кристалл 5.
Благодаря малым размерам частицы шихты расплавляются на лету и, попадая
на затравочный кристалл, образуют расплавленный слой 4. Затравка, медленно
вращаясь, опускается, и по мере охлаждения расплава происходит кристалли-
зация и рост кристалла. Полученные кристаллы отжигаются во избежание об-
разования трещин и внутренних натяжений.
Для получения качественных кристаллов по методу Вернейля необходимо
точно согласовать расход шихты, подачу водорода, кислорода и скорость опуска-
ния затравки.
Метод жидкостной герметизации. Монокристаллы разлагающихся полупро-
водниковых соединений (арсенида и фосфида галлия и др.) выращивают мето-
дом Чохральского из расплава, находящегося под слоем герметизирующей жид-
кости. Давление инертного газа над жидкостью (рис. 1.13, в) должно в
1,5....2,5 раза превышать равновесное давление пара летучего компонента в точ-
ке плавления соединения. Обычно давление составляет (1,5...2,0) • 105 и
(6...8)-106 Па для фосфида галлия.
В качестве герметизирующей жидкости используют расплав борного ангид-
рида В20з- После «разращивания» кристалла до заданного диаметра (рис. 1.27, а)
выделяющаяся на фронте кристаллизации скрытая теплота плавления изоли-
руется слоем В2О3 и не может рассеяться. В результате область переохлажден-
ного расплава в центре тигля (рис. 1.27,6) уменьшается, и монокристалл «под-
резается». После выхода начальной части монокристалла из-под слоя флюса
отвод тепла от фронта роста монокристалла возрастает, и он начинает «раз-
Рис. 1.27. Изменение диаметра монокристалла разлагающегося полупроводни-
кового соединения, выращиваемого из расплава, находящегося под слоем флю-
са при постоянной мощности, подводимой к нагревателю, на различных ста-
диях его роста
Рис. 1.28. Схема реактора высокого давления для выращивания монокристаллов
полупроводников из расплава, находящегося под слоем флюса, методом Чох-
ральского:
/ — кристалл; 2 — флюс; 3 — расплав; 4 — кварцевый тигель; 5 — графитовый тигель; 6 —
термопара; 7 — пьедестал
за
ращиваться» (рис. 1.27,^). После установления теплового равновесия повторя-
ется изменение диаметра растущего монокристалла. Оптимальная толщина флю-
са 10...15 мм.
Жидкостная герметизация обеспечивает теплоизоляцию поверхности, сводя
к минимуму конвективные потоки в газовой фазе и создавая большую тепло-
вую стабильность поверхности расплава. Метод позволяет использовать бо-
лее надежные механические устройства для подъема затравки и вращения,
при этом слой флюса в некоторой степени демпфирует вибрации поверхности
расплава. Принципиальным техническим преимуществом является возможность
поддержания стенок ростовой камеры при комнатной температуре.
Схема камеры с ВЧ-нагревом, предназначенной для выращивания кристал-
лов методом Чохральского из-под слоя флюса, показана на рис. 1.28. В тигель
из кварца или стеклоуглерода загружают исходный материал и сверху помеща-
ют флюс. Камеру уплотняют, вакуумируют и затем заполняют инертным газом,
причем его рабочее давление должно превышать давление паров летучего ком-
понента соединения в точке плавления. Камера охлаждается водой и может
выдерживать давление до 2-Ю7 Па. Для улучшения визуального контроля
растущего кристалла используют телевизионную систему, которая позволяет на-
блюдать кристалл увеличенным в 6...8 раз. В такой камере можно выращивать
кристаллы соединений, имеющих высокое давление диссоциации, в частности
фосфиды индия и галлия.
При выборе материала герметизирующего флюса следует учитывать, что
он должен обладать плотностью, меньшей плотности расплава полупроводнико-
вого соединения, относительной химической инертностью к расплаву полупро-
водника и материалу тигля, оптической прозрачностью, низкой точкой плавле-
ния, малым давлением пара и высокой степенью чистоты.
Для выращивания полупроводниковых соединений группы AlnBv и их твер-
дых растворов из кварцевых тиглей наиболее подходящим флюсом (кроме слу-
чая получения материала, легированного кремнием) является борный ангидрид,
который имеет плотность 1,8 г/см3, температуру плавления 723 К, давление
пара 133 Па при 1513 К, слабо реагирует с SiO2, GaAs и GaP и взаимодейству-
ет с водой. Борный ангидрид растворяет оксиды на поверхности расплава и
вследствие большой вязкости создает защитную пленку на выращиваемом кри-
сталле, предотвращая испарения летучего компонента. Пленка легко смывается
с поверхности кристалла горячей водой. Оксид бора смачивает кварцевый тигель
и образует тонкий слой между тиглем и расплавом, создавая таким образом
жидкую оболочку.
Для герметизации расплавов арсенида галлия и арсенида индия применяют
также хлористый барий, хлористый кальций и смесь хлористого бария и хлори-
стого калия. При выращивании арсенида индия из-под слоя флюса состава
ВаС12: КС1= 1 : 1 почти на порядок увеличивается концентрация электронов по
сравнению с исходным материалом. Использование в качестве флюса бората
бария, а также солей щелочных или щелочно-земельных элементов обычно вы-
зывает сильное разрушение кварцевого тигля. В зависимости от условий выра-
щивания рекомендуются различные составы герметизирующих жидкостей, одна-
ко до настоящего времени в промышленной технологии выращивания кристал-
лов с жидкостной герметизацией используется только борный ангидрид.
Толщина слоя инертной жидкости влияет на характер фронта кристаллиза-
ции. При увеличении толщины слоя флюса фронт кристаллизации становится
сначала плоским, а затем выпуклым. Наиболее благоприятным с точки зрения
совершенства структуры кристаллов является плоский фронт кристаллизации,
поэтому необходимо оптимизировать толщину слоя флюса. При выращивании
арсенида индия оптимальной считается толщина слоя В20з 5 мм, для фосфида
индия — около 5...8 мм, для арсенида галлия и фосфида галлия — 8... 10 мм, для
CdTe — 7 мм. При меньшей толщине флюса происходят потери летучего компо-
нента, при большей — затрудняется контроль диаметра растущего кристалла.
Флюс из В2О3 оказывает сильное теплоизолирующее влияние на растущий
кристалл. При фиксируемой мощности, подаваемой к тиглю с расплавом,
кристалл имеет переменный по длине диаметр. Варьированием мощности можно
добиться стабильности диаметра слитка.
31
Вследствие больших осевых (240 град/см в области флюса) и радиальных
температурных градиентов для кристаллов характерны значительные внутрен-
ние напряжения, высокая плотность дислокаций и неравномерное их распреде-
ление. Термические напряжения, возникающие при выращивании полупроводни-
ков с высоким давлением паров летучего компонента, могут вызвать растрески-
вание монокристалла. Для уменьшения плотности дислокаций и повышения од-
нородности температуры на поверхности кристалла используют дополнительные
нагреватели и теплоизолирующие экраны. В методе Чохральского с жидкостной
герметизацией важно поддерживать границу раздела флюс — расплав полупро-
водника на одном уровне.
Несмотря на указанные многочисленные преимущества, метод жидкостной
герметизации имеет ряд недостатков, одним из которых является загрязнение
растущего кристалла примесями из флюса.
Жидкостная герметизация расплава разлагающихся соединений эффективно
применяется также при выращивании полупроводниковых соединений другими
методами. Для устранения напряжений, возникающих в кристаллах из-за боль-
ших температурных градиентов, при выращивании соединений GaP, InP и GaSe
используют вертикальный градиент температур, при котором температура в ниж-
ней части расплава на несколько градусов превышает температуру плавления
соединения и повышается к верхней части (рис. 1.29). При медленном пони-
жении температуры (0,0167 град/с) расплав затвердевает снизу вверх.
Основными методами консервативной направленной кристаллизации явля-
ются следующие.
Метод зонной плавки (перекристаллизации). В некоторых случаях в техно-
логии полупроводниковых материалов выращивают монокристаллы методом
зонной плавки. Достоинством метода является совмещение процесса глубокой
очистки полупроводника с последующим выращиванием его монокристалла.
В технологии разлагающихся полупроводниковых соединений применение этого
метода позволяет совместить в одном технологическом цикле сразу три опера-
ции: синтез, очистку синтезированного соединения и выращивание его моно-
кристалла. Проведение операций в герметичных или квазигерметичных реакторах
дает возможность путем регулирования давления пара летучего компонента над
расплавом получать монокристаллы стехиометриче-
ского состава или с любым отклонением от него.
В связи с различной растворимостью примесей
в твердой и жидкой фазах зонная плавка является
одним из наиболее эффективных и производитель-
ных методов глубокой очистки монокристаллов. При
его реализации перед началом кристаллизации рас-
плавляется не вся твердая фаза кристалла 4, а
только узкая расплавленная зона 5, которую пере-
мещают вдоль кристалла (рис. 1,13, а). Различают
вертикальную (ВЗП) и горизонтальную (ГЗП) зон-
ные плавки (рис. 1,13, д, е). Осуществление ВЗП
возможно и в бестигельном варианте (рис. 1.13, д).
Большинство примесей обладает хорошей рас-
творимостью в жидкой фазе по сравнению с твер-
дой (&<1, табл. 1.6), поэтому по мере продвиже-
ния зона плавления все больше насыщается приме-
сями, которые скапливаются на конце слитка. Обыч-
но процесс зонной плавки повторяют несколько раз,
по окончании очистки загрязненный конец слитка
Рис. 1.29. Схема реактора высокого давления для
выращивания полупроводников методом жидкостной
герметизации расплава с использованием вертикаль-
ного градиента температур:
1 — термопара; 2 — изоляция; 3 — графитовый цилиндр, на-
греваемый токами высокой частоты; 4 — тигель из нитри-
да бора; 5 — графитовая вставка; 6 — термопара
32
8
Заказ № 1270
Таблица 1.6. Равновесный kQ и эффективный k коэффициенты распределения
примесей в наиболее распространенных полупроводниках
Примесь k0 k
Si Ge GaP GaAs InP inAb InSb
Si — 0.6 1.4-10-1 5,5-10-1 4-10-1 i-io-i
Ge — — —- 1,6-10-2 4-10-1 7-10-2 1,2-IO-2
С (6 .7) • 10~2 — —— 2-IO-1 — — —
Sn 1,6 10-2 2-10-2 3-10-2 4-10-3 2-10-2 3 10-2 5,7-10-2
Pb — 1,7-10~4 — 1 •IO"3 — —— 1,6-10-2
В 8-10-t 12 ...21 — — — —— —
N 7-10-< — 3-10-8 — — — —
Al 2-10-8 7,3-10-2 — — — — —
Ga 8-Ю-» 8,7-10-2 —— — — — —
In 4-10-4 6-Ю-5 — — — — —
T1 — 1 •10-e — — — — 5,2-IO-4
P 3,5 10-1 8-10-2 —• —- — — —
As 3,0-10-1 2-10-2 —— —— — — —
Sb 2,3-10-2 3-10-» — — — — —
Bi 7-10-1 4,5 IO-5 4-10-’ 5-10-2 — — —
Li 1-10-2 2-Ю-3 — — — — —
Gu 4 • 10-* 1,5 IO-5 2-10-8 2-10-3 — — 6,6-io-4
££ Окончание табл. 1.6
Примесь ko
SI Ge GaP
Ag 2,5- IO-5 8-Ю-6
Au 2,510-3 1,3-ю-6 —
Be — 8-10—3 1,6
Zn l-10~5 4-10-" 2,5 IO-*
Cd 1 • 10—6 1•io-6 —
Ca — — —
Mg " — — 1,5-Ю-1
Na — — —
0 1,25...1,4 1 -10—1 5-10-3
S MO-5 1 • 10-« 2,5 IO-»
Se bio-8 — 1,6-10-1
Те 8-10-6 1 • io-6 1,0. io-1
Cr 1,1 • 10—5 — 1-10-3
Mn — 1-10-5 —
Fe (8...60) - IO-6 3 10-s 2-10-2
Ni 2-Ю-6 3-10-6 —
Co 8-Ю-6 l-io-6 —
Ti 3,6-io-6 — —
Ta 2-10-3 — —
V — 3 IO-7 —
Pt — 5-ю-6
к
GaAs InP InAs InSb
4-10~3 — 4,9 Ю"5
3 310-2 1,9- Ю"6
3 — — —
4,2-10-’ 1 7,7 -Ю"1 2,3
2-10~3 1,5-10"1 1,3-10"» 2,4
2 10-3 — — —
мо-« — 410"1 —
— — — 2,5-10-3
ЗЮ"1 — — —
ЗЮ"1 4,7 -10—1 7-Ю"1 1-10-'
4-10"1 ЗЮ"1 8-Ю"1 (1.7...3) -10-»
4,6-Ю"2 4-Ю"1 4,4- Ю"1 4,7-lO-’.-.l
810"* 1,1 10"4 3 10-2 —
2-10-2 4-Ю"1 710"2 4,5-Ю"2
2 10"3 2-Ю”3 — 410"2
5 10-2 — — 610-5
110"4 4 10"5 — 4-Ю"4
— 1 • Ю~3 — 410"4
— — —
— — — —
— — — —
Рис. 1.30. Схема установки для очист-
ки германия зонной плавкой:
1 — нагреватели; 2 — слиток германия;
3 — лодочка; 4 — кварцевая трубка; 5 —
1 шлиф с патрубком для выхода газов
отрезают. Для ускорения процесса очистки вдоль контейнера ставят несколько
индукторов для образования ряда зон плавления (рис. 1.30). Для материалов
с очистка материалов зонной плавкой практически невозможна, и метод
используется весьма ограниченно — для получения кристаллов из расплава.
Теоретически многократная зонная плавка позволяет очень глубоко очистить
исходный материал. Так, при k=0,1 можно получить 50% очищаемого слитка
с концентрацией остаточной примеси менее 10~6. Однако на практике такого
результата достичь невозможно, так как одновременно с очисткой и увеличе-
нием числа проходов расплав загрязняется примесями контейнера и окружаю-
щей среды. Кривые распределения примеси с различными значениями по длине
кристалла при одном проходе зоны приведены на рис. 1.31.
Метод бестигельной зонной плавки (БЗП). Применяется в ос-
новном для получения монокристаллов кремния. Из-за отсутствия тигля при
выращивании кристалла одновременно происходит и его очистка, так как при-
меси с коэффициентом сегрегации меньше единицы оттесняются в конец кри-
сталла, благодаря чему кристаллы становятся значительно чище выращиваемых
методом Чохральского. Для повышения степени очистки используют неоднократ-
ное перемещение зоны.
Скорость выращивания кристалла методом БЗП вдвое больше, чем по
методу Чохральского, и в отличие от него затравка подводится снизу. Растущий
кристалл «висит» на исходном поликристалле, откуда он вытягивается вниз от
зоны расплава (рис. 1.32). Для обеспечения начального роста бездислокацион-
ного участка кристалла также проводится вытягивание «тонкой шейки» диамет-
Рис. 1.31. Теоретическое распределение относительной концентрации примеси
/V при различных значениях коэффициента распределения k по длине кристал-
лов постоянного сечения, получаемых в ходе одного процесса направленной
кристаллизации (а) и зонной плавки (б), проводимой при х//=10, где х и
I— длины кристалла и расплавленной зоны соответственно; V — объем
закристаллизованной части расплава, см3, Vq — объем всего расплава, см3
3*
35
Рис. 1.32. Схема выращивания кри-
сталлов методом бестигельной зон-
ной плавки:
1 — поликристаллический стержень; 2 —
индуктор в форме игольного ушка; 3 —
расплавленная зона; 4 — бездне локацион-
ный монокристалл; 5—«тонкая шейка»;
6 — затравка
6
Рис. 1.33. Схема установки для бес-
тигельной зонной плавки кремния:
1 — подача аргона; 2 — металлический
держатель; 3 — кварцевый стержень; 4 —
высокочастотный индуктор; 5 — кварце-
вый цилиндр; 6 — выход аргона
ром 2...3 мм и длиной 10...20 мм и более, после чего кристалл доращивают до
требуемого диаметра через коническую часть.
Причины возникновения структурных дефектов и меры борьбы с ними при
получении монокристаллов данным методом почти полностью совпадают с изло-
женными для метода Чохральского. Сравнение этих методов можно провести
с помощью табл. 1.7.
Современная технология БЗП кремния (схема установки приведена на
рис. 1.33) позволяет выращивать монокристаллы диаметром до 125 мм благо-
даря использованию индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплав-
ляемого стержня (рис. 1.34).
Рис. 1.34. Этапы процесса бестигельной зонной плавки кремния с высокочастот-
ным индуктором, диаметр которого меньше диаметра расплавляемого стержня
(fi и f2 — скорости движения стержня и затравки соответственно):
e — разогрев торца кремниевого стержня; б — образование висячей капли расплавленного
кремния; в — момент затравливания; г — начальная стадия образования расплавленной
воны; д — проведение процесса в установившемся режиме; 1 — стержень; 2 — разогретая
эона стержня; 3 — высокочастотный индуктор; 4 — монокристаллическая затравка; 5 —
капля расплава; 6 — расплавленная зона
36
Таблица 1.7. Типичные параметры бездислокационных монокристаллов
кремния, выращиваемых методами Чохральского и бестигельной
зонной плавки
Параметр Метод выращивания „ бестигельной Чохральского зонной плавки
Максимальный диаметр, мм Удельное сопротивление, Ом см. р-тип /1-ТИП Ориентация Время жизни неосновных но- сителей заряда, мкс Содержание, атом/см3: кислорода углерода 150 100 0,005.50 0.1...3000 0.005..50 0,1...800 [111], [ПО], [100] [111], [100] 10...50 100...3000 1О16...Ю18 <10|в 1017 <10‘7
Основное условие успешного проведения БЗП — создание и поддержание
стабильной расплавленной зоны. Для этой цели используют многовитковые ин-
дукторы 4 с расположением витков в одной плоскости (рис. 1.35). Для полу-
чения кристаллов большого диаметра в современных установках применяют
одновитковую катушку типа «игольчатого ушка» 2 (рис. 1.32). Во всех совре-
менных системах зонной плавки используется стационарное положение катушки,
а поликристаллический стержень и растущий кристалл перемещаются.
Следует, однако, отметить, что очистка кремния от примесей бора, влия-
ние которого на свойства кремния велико, методом БЗП малоэффективна.
Гарниссажный метод Чохральского. Перспективным вариантом
БЗП является гарниссажный метод Чохральского (см. рис. 1.13,ж), позволяю-
щий получать монокристаллы кремния с параметрами, аналогичными для метода
БЗП (табл. 1.6). Выращивание монокристаллов осуществляют в глубоком ва-
кууме с использованием электронно-лучевого нагрева и проводят по варианту
вытягивания кристалла с подпиткой из твердой фазы «вытягивание с пьедеста-
ла» (рис. 1.36,6). Соотношение диаметра пьедестала к диаметру монокристалла
около 2,5. Схема установки для выращивания монокристаллов кремния приве-
дена на рис. 1.37.
Тепловые условия метода примерно те же, что и для метода БЗП. Фронт
плавления и кристаллизации является практически плоским. Плотность дисло-
каций в монокристаллах кремния составляет (3...5) • 104 см~2.
Рис. 1.35. Устройство для подогрева
исходного поликристаллического
стержня и выращиваемого монокри-
сталла кремния при бестигельной
зонной плавке с применением индук-
тора диаметром меньше диаметра
проплавляемого стержня, ось кото-
рого смещена относительно оси мо-
нокристалла:
1 — исходный поликристаллический стер-
жень; 2 — дополнительный высокочастот-
ный индуктор для подогрева стержня;
3 — расплавленная зона; 4 — основной вы-
сокочастотный индуктор; 5 — монокри-
сталл; 6 — электроспираль для подогрева
монокристалла; f — эксцентриситет;
«(0,1...0,3)d, где d —диаметр кристалла
37
Рис. 1.36. Методы подпитки расплава твердой (а, б), жидкой (в) и паровой
(д, е) фазами, применяемые для получения равномерно легированных по дли-
не кристаллов полупроводников:
а — механическая подпитка расплава твердой фазой; б — выращивание кристалла с пье-
дестала; в — капиллярный плавящий тигель; г — капиллярный двойной тигель; д —по-
ложительная (поглощение) или отрицательная (испарение) подпитка расплава паровой
фазой в процессе Чохральского; е — то же, в процессе бестигельной зонной плавки; 1 —
подпитывающий кристалл; 2— вспомогательный нагреватель; 3 — простой тигель; 4 —
выращиваемый кристалл; 5 — расплав; 6 — основной натреватель (резистивный или вы-
сокочастотный); 7 —плавающий тигель; 8 — капиллярный канал; 9 — рабочая часть тигля
Рис. 1.37. Схема установки для
выращивания монокристаллов
кремния гарниссажным методом
Чохральского «с пьедестала» при
электронно-лучевом нагреве:
1 — анод; 2 — отражатель катодных
лучей; 5—нить накала (катод); 4 —
монокристалл; 5 — направление линий
магнитного силового поля; 6 — на-
правление потока электронов: 7 —
расплав; 8 — пьедестал (стержень по-
ликристаллического кремния); 9 — маг-
нитные катушки
Выращивание профилированных кристаллов. Метод Степанова. Про-
филированные полупроводниковые материалы (чаще всего германий и кремний)
выращивают как без формообразующих устройств, так и с ними. Первый ва-
риант находит применение для изготовления кремниевых труб, используемых
в термических печах производства полупроводниковых приборов. Такие трубы
выращивают с использованием затравки, поперечное сечение которой соответ-
ствует поперечному сечению трубы. Трубы с наружным диаметром до 130 и
длиной до 1800 мм получают из тигля диаметром 200 мм, содержащего 6 кг
расплавленного кремния, со скоростью роста 3...4 мм/мин.
Разброс толщины стенки полученных в таких условиях труб составляет
±(1... 1,3) мм с толщиной стенки около 5 мм. Текстура поперечного сечения
трубы изменяется от мелкозернистой (0,5...2 мм) у затравки до среднезернистой
(1...10 мм), крупноблочной (60...80 мм) и, наконец, столбчатой по мере опуска-
ния фронта кристаллизации в глубь тигля в область повышенных температур.
38
Рис. 1.38. Схемы тепловых узлов, применяемых для выращивания поликристал-
лических стержней (а, б) и лент кремния (в) вытягиванием из расплава (а)
и «обратным» методом Степанова (б, в):
1 — вытягиваемый стержень; 2 — металлическая пластина с отверстиями — короткозамкну-
тыми витками; 3 — высокочастотный индуктор; 4 — расплав; 5 — подпитывающий стер-
жень; 6 — кварцевый формообразователь; 7 — опорная плита; 8 — устройство для подо-
грева вытягиваемой ленты 9
Образование крупноблочной структуры приводит к отклонению формы попереч-
ного сечения трубы от круглой к эллиптической.
Наибольшее применение выращивание профилированных кристаллов полу-
проводников нашло в изготовлении кремниевых основ (стержней и лент) для
реакторов водородного восстановления хлорсила нов и термического разложения
моносилана. Поликристаллические стержни кремния диаметром 4...6 и длиной
до 2000 мм выращивают без применения формообразователя методом, анало-
гичным выращиванию монокристаллов «с пьедестала». Роль формообразователя
выполняет электромагнитное поле, создаваемое индуктором, питаемым током
частотой 1,76 МГц, и короткозамкнутым витком. Электромагнитное поле ока-
зывает электродинамическое воздействие на столбик расплава (рис. 1.38, а). Ис-
пользование такого устройства позволяет выращивать в вакууме порядка
2,6-10-3 Па одновременно семь стержней. Скорость вытягивания 15... 18 мм/мин.
Обратный метод Степанова. Кремниевые стержни и ленты для
основ с низким удельным сопротивлением могут быть выращены в атмосфере
кислорода обратным методом Степанова (рис. 1.38, б, в). Вытягивание кристал-
ла из расплава вниз через формообразователь позволяет в 2,5...3 раза повысить
скорость его роста и обеспечивает получение профилей с минимальным откло-
нением размеров сечения от заданного и с гладкой поверхностью.
Кремниевые стержни диаметром 5...6 мм выращивают с использованием теп-
лового узла, показанного на рис. 1.38,6, а ленты шириной 30 и толщиной
0,3... 1 мм — с использованием узла, представленного на рис. 1.38, в. Расплав
нагревают высокочастотным индуктором, питаемым током частотой 1,76 МГц.
Формообразователь представляет собой фильеру, изготовленную из кварцевой
пластины. Выращивание профилей проводят на воздухе со скоростями до
75 мм/мин. Профили термообрабатывают на воздухе при температуре около
773 К для образования в них термодоноров, снижающих удельное сопротивление
кремния, с последующим охлаждением на воздухе.
Полученные в таких условиях стержни и ленты имеют удельное сопротив-
ление 0,08...0,12 Ом см и предел прочности на изгиб 300...320 МПа. При ско-
ростях вытягивания около 20 мм/мин они имеют поликристаллическую структу-
ру с зернами длиной в несколько миллиметров в направлении вытягивания.
В структуре наблюдаются также случайно расположенные двойниковые гра-
ницы.
Выращивание из раствора. Возможно получение кристаллов веществ из пе-
ресыщенных растворов. В качестве растворителей применяют воду, органические
вещества (ацетон, толуол и др.), а также щелочные растворы.
Условия перенасыщения раствора создаются за счет испарения растворителя,
понижения температуры или создания температурного градиента. Для выращи-
вания обычно используют затравочные кристаллы. В процессе роста кристалла
раствор перемешивают. Способ этот прост, не требует сложного оборудования,
но для выращивания оптических кристаллов применяется редко.
39
Рис. 1 39. Установка для гидротермальной кристалли-
зации кварца
Гидротермальный синтез является разновидностью
метода, его применяют для выращивания синтетиче-
ских кристаллов кварца (рис. 1.39).
В автоклав 1 засыпают размельченный поликри-
сталлический природный кварц 4, заполняют автоклав
до определенного уровня растворителем (щелочным
раствором) и помещают внутрь рамку 2 с затравочны-
ми кристаллами После этого автоклав закрывают и
устанавливают в электрическую печь, где раствор на-
гревается до 673 К. Под действием температуры внут-
ри автоклава создается давление порядка (2..3) • 108 Па. В этих условиях кварц
интенсивно растворяется в щелочи, образуя насыщенный раствор.
Температуру в верхней части автоклава поддерживают на 20 К ниже, чем
в нижней, поэтому там образуется зона кристаллизации. Благодаря градиенту
температуры и перфорационной решетке 3 создаются конвекционные потоки
раствора, обеспечивающие его перемешивание и подачу свежего перенасыщен-
ного раствора в верхнюю кристаллизационную зону автоклава.
Выращенные монокристаллы массой до 800 г имеют совершенную геомет-
рическую форму. Скорость роста монокристалла достигает 1 мм/сут.
Рост кристаллов из паровой фазы. Размеры выращиваемых кристаллов
ограничиваются малыми транспортными возможностями газа как средства, под-
водящего вещество и отводящего теплоту кристаллизации, а также легкостью
возникновения турбулентных потоков вблизи растущего кристалла. С помощью
этого метода выращиваются кристаллы теллура и селена. Кристаллы сульфида
кадмия выращиваются из газовой фазы методами: газодинамического потока,
в котором пары Cd увлекаются сероводородом или парами серы и на холодных
частях сосуда осаждается CdS; квазиравновесным, при котором CdS кристал-
лизуется из пара CdS в холодных частях сосуда в условиях, близких к равно-
весным.
В первом случае под фарфоровой лодочкой с Cd, расположенной в квар-
цевой трубке, пропускался при 1073... 1273 К водород в смеси с сероводородом.
Кадмий реагировал с сероводородом, образовавшийся CdS осаждался в холод-
ных частях трубки в виде лентообразных кристаллов Зх 5x0,2 мм. При про-
пускании смеси водорода и селена росли кристаллы CdSe размером 1...2 мм.
Кристаллы CdS, ZnS также могут быть выращены за счет переноса пара азота
или аргона. Формы кристаллов CdS при выращивании из газовой фазы пока-
заны на рис. 1.40.
Растущие кристаллы могут быть легированы примесями (например, Cl, Ga,
Zn), массовая доля которых 0,01...0,1%. Наличие примесей влияет на формы
роста. Присутствие хлора обусловливает рост в толщину. Лентообразные кри-
Рис. 1.40. Формы кристаллов CdS при выращивании из газовой фазы:
а—пластинчатая; б — игольчатая; в — тип I с прямоугольными штрихами; г — тип I с
косыми штрихами; д —- двойники; ф=30, 45 или 60°
40
1 5 2 3 i
<ZZZZ2SS^ZZZ2^ZZ^
Обмотка из VX.I10°/oRh
a)
Рис. 1.41. Схема способа получения CdS методом сублимации (а) и распреде-
ление температуры вдоль печи (б):
1 печь; 2 —• шахта; 3 — кристалл; 4 — муллитовая труба; 5 — ампула
сталлы образуются при содержании Ga в концентрации менее 1019 см~3. При
Noa>1019 см“3 растут гексагональные призмы длиной до 30 мм и диаметром
0,1...1 мм. На форму кристаллов оказывает влияние также метод выращивания.
При сублимации CdS наиболее часто встречаются кристаллы игольчатой формы.
Возможно получение кристаллов CdS методом сублимации; устройство, в ко-
тором используется принцип перемещения сублимационной зоны через уплотнен-
ную поликристаллическую засыпку, помещенную в кварцевую ампулу, представ-
лено на рис. 1.41, а.
Получение материалов на основе аморфных веществ. К данной группе ве-
ществ относятся оптические ситаллы, кварцевые и бескислородные стекла и не-
которые другие материалы.
Оптические ситаллы имеют основу из стекол системы Li2O—А120з—SiO2.
Кристаллизация в стекле вызывается введением в состав катализатора оксида
титана TiO2 и последующей термической обработкой в твердой фазе.
Термообработку выполняют в электрических печах по режиму, предусмат-
ривающему две ступени выдержки (рис. 1.42). Первая выдержка при темпера-
туре 7'1 = 1073 К обеспечивает условия для равномерного образования много-
численных центров кристаллизации по всему объему материала; вторая выдерж-
ка при температуре Г2=1153К— интенсивный рост кристаллов до заданных
размеров. Оптические ситаллы выпускают в заготовках, имеющих форму дисков
или прямоугольных пластин с размерами до 1,5 м в плане.
Оптическое кварцевое стекло варят из природного горного кварца, подвер-
гающегося тщательной сортировке, комплексному обогащению и помолу на
крупку размером 0,1...0,5 мм. Содержание посторонних примесей в сырье до-
пускается в ничтожно малых количествах, например, допустимое содержание
железа в стеклах марок КУ и КВ не должно превышать 3-10“4 %.
Одним из основных методов варки прозрачного кварцевого стекла является
вакуум-компрессионный. Кварцевую крупку загружают в тигель вакуум-ком-
прессионной печи и нагревают под вакуумом до температуры 2073...2173К до
t.u
Рис. 1.42. График термообра-
ботки ситаллов (t — время)
Рис. 1.43. Установка наплавки кварцевого
стекла
41
расплавления. После этого в печь под давлением подается газ: азот, аргон или
углекислый газ. Вакуумные межкусковые пустоты стекла под давлением газа
распрессовываются, и стекло после охлаждения не имеет пузырьков воздуха.
Особо чистое оптическое кварцевое стекло получают в факеле пламени во-
дорода Н2 и кислорода О2 (рис. 1.43). Шихту — кварцевую крупку — подают
через электрический муфель 4 в камеру 3, где частички шихты подхватываются
пламенем горелки 5 и, расплавляясь на лету, попадают на разогретую подлож-
ку 1. Подложка, вращаясь медленно, отводится по мере наплавки внутрь му-
феля 2.
Бескислородные стекла варят из материалов, не имеющих в своем составе
кислорода. Основным компонентом их является аурипигмент — минерал с содер-
жанием мышьяка As2S3 30...50%. Для удаления химически связанного кисло-
рода аурипигмент подвергается неоднократной очистке и возгонке в вакууме.
Бескислородное стекло варят в запаянных кварцевых ампулах, из которых
откачивается воздух под давлением 0,1 Па. Ампулы помещают в электрические
печи и нагревают до температуры 573...873 К. В процессе варки печи с ампула-
ми для размешивания стекломассы совершают качательные движения.
Сваренная стекломасса отжигается непосредственно в ампулах. Остывшие
ампулы разбивают и извлекают из них стекло. Бескислородные стекла имеют
низкую температуру размягчения (473...673 К) и хорошо формируются в за-
готовки.
1.3. Методы получения равномерно легированных
монокристаллов полупроводников
Оценка однородности полупроводников. Проводится прямыми и косвенными
методами.
К прямым относятся химический, спектральный, масс-спектральный, рентге-
носпектральный, активационный и некоторые другие; к косвенным — физические
(изменение удельного сопротивления, постоянной Холла, термо-ЭДС), структур-
ные (рентгенография, электронография и др.).
В производственных условиях используют методы измерения электрических
параметров полупроводниковых материалов. Одним из основных неразрушающих
методов контроля является измерение удельного сопротивления.
Мерой неоднородности измеряемого параметра у (концентрации примеси,
удельного сопротивления и др.) служит разброс
А = — (#шах—У min/У max + i/min) • 100, (1.8)
где ymax, #min — соответственно максимальное и минимальное значения измеряе-
мого параметра.
Для процессов направленной кристаллизации (Бриджмена или Чохральско-
го) расчетный выход материалов с заданным разбросом контролируемых па-
раметров по длине слитка
Ga={1-[1±A]W-D}.100, (1.9)
где знак «плюс» соответствует &<1, знак «минус» — &>1, а для процессов
зонной плавки
где L, I — длина зоны и слитка соответственно.
При расчете доли расплава q, закристаллизованной направленно в виде
монокристалла с заданным распределением нелетучей примеси по длине кри-
сталла, используют номограмму типа рис. 1.44.
Определение тянущей концентрации примеси в кристалле. Изменение кон-
центрации примеси в расплаве, кристаллизуемом методом Чохральского, вы-
ражается уравнением
С/Со= (1—^r)ft+a//(F/s”1)~1, (1.11 а)
где Со и С — исходная и текущая концентрации, см~3; F — свободная поверх-
ность расплава, см2; S — сечение выращиваемого кристалла, см2; k — эффектив-
42
Рис. 1.44. Номограмма для определения приблизительно однородной доли кри-
сталла, выращиваемого из расплава методом направленной кристаллизации
(Чохральского или Бриджмена)
а) б) 61 г)
Рис. 1.45. Формы фронта кристалли-
зации при выращивании кристаллов
методом Чохральского (а—в) и бе-
стигельной зонной плавки (г):
о — выпуклая; б — вогнутая; в — плоская;
г — S-образная
ный коэффициент распределения примеси; g=V/V0; К VQ — объемы закристал-
лизовавшейся части и всего расплава соответственно, см3.
Геометрический фактор для метода Чохральского выразится как y—FIS—].,
Для вертикального метода Бриджмена, где F—St геометрический фактор
у—1 и изменение концентрации примеси в расплаве в ходе кристаллизации
будет
C/Co^tl-g)^»/^1. (1.11 б)
При легировании нелетучей примесью, т. е. при а=0, уравнения (1.11 а) и
(1.116) упрощаются:
С/Со=(1-Я)*-1. пив):
Для определения текущей концентрации примеси в кристалле в зависимо-
сти от метода его получения значение текущей концентрации примеси в распла-
ве, определенное по одному из уравнений (1.11), умножают на значение дейст-
вующего коэффициента распределения k.
Выращивание монокристаллов с равномерным распределением примеси по
поперечному сечению. Неравномерность распределения примеси по поперечному
сечению кристаллов определяется неравномерностью распределения потоков жид-
кости в расплаве, омывающем фронт кристаллизации (рис. 1.45).
На неоднородность в поперечном сечении кристалла в методе Чохральского
оказывают влияние потоки жидкости. Отсутствие вращения кристалла и тигля
с расплавом приводят к конвективным потокам жидкости, направленным от
более горячих стенок тигля к более холодной центральной части расплава
Рис. 1.46. Типичный характер гидродинамических потоков в, расплаве и их
влияние на форму диффузионного слоя на фронте кристаллизации (отмечено
штриховой линией) монокристалла, выращиваемого методом Чохральского:
0 — без вращения; б — с частотой вращения тигля 25 мин—1; в — с частотой вращения
кристалла 100 мин—1
43
то
ж
Рис. 1. 47. Наклон фронта кристаллизации в резуль-
тате радиальной асимметрии теплового поля вокруг
растущего кристалла
(рис. 1.46), и к увеличению примеси в центре сечения кристалла. Асимметрия
теплового поля вокруг растущего кристалла приводит к наклону фронта кри-
сталлизации относительно поверхности расплава на угол 0 (рис. 1.47).
При этом участки фронта кристаллизации вращающегося кристалла перио-
дически проходят через области расплава в тигле с высокой и низкой темпе-
ратурами, что приводит к ускорению и замедлению роста кристалла. Выросшая
часть кристалла частично оплавляется, проходя через область высокой темпе-
ратуры.
Микрообъемы с одинаковым содержанием примеси в кристалле располага-
ются внутри его по винтовой поверхности, шаг которой
h—f/u), (1.12)
где f — линейная скорость роста кристалла, см/с; о — угловая частота враще-
ния кристалла, рад-с-1.
Возможны и другие виды локальных неоднородностей, возникающих в силь-
нолегированных полупроводниках,— примесные субструктуры, которые получа-
ются в результате скопления примеси по границам ячбек. Эффективной мерой
борьбы с ними является применение в процессе выращивания монокристалла
больших градиентов температуры на фронте кристаллизации, больших скоро-
стей роста кристалла и интенсивного перемешивания расплава.
Выращивание монокристаллов с равномерным распределением примеси по
длине (подпитка легирующей примесью). Для повышения выхода материала с
равномерным распределением примеси по длине используют подпитку расплава
твердой, жидкой или паровой фазой, которая содержит легирующую примесь.
Легирование кремния или германия элементами осуществляется введением
в расплав соответствующей примеси или лигатуры с большим содержанием
соответствующей примеси Последнее определяется растворимостью (рис. 1.48—
1.62) и коэффициентом диффузии примеси в монокристаллическом полупровод-
Рис. 1.48. Диаграмма состояния
Ge:Al
Рис. 1.49. Диаграмма состояния
Ge: Ga
44
Рис. 1.50. Диаграмма состояния
Ge: In
Массовая доля Ge,%
Рис. 1.52.
Рис. 1.51. Диаграмма состояния
Ge: Sb
состояния
Диаграмма состояния Рис. 1.53. Диаграмма
Ge : Sn Ge : Pb
Массовое доляС^ */»
0 Ю 20 JO ЬО 50 60 70 80 90 100
Рис. 1.54. Диаграмма состояния Ge : Ag
45
Таблица 1.8. Коэффициенты диффузии D примесных элементов
в германии и кремнии
Примес- ный элемент Ковалентный радиус иона г.108, см D, см2/с
в герма- нии в кремнии в германии в кремнии
Акцепторные примеси
Au 1,5 1,5 510-10 1,3- io-7
Zn 1,56 1,31 1,0-10-12 4,0 IO-12
В 0,88 0,88 6,0 io-13 1,010-и
Al 1,26 — 2,2-10”11
Ga 1,58 1,26 1,0-10~13 9,0 10-i2
In 1,64 1,44 2,6-10-13 3,8 IO-12
Ni — — 4,4-10-5 —
Cu — — 2,8 IO-5 —
Те — — — 2,6 -IO"12
Fe — — 1,2-10-8 7,0 IO-6
Донорные примеси
P 0,77 1,1 6,5* 10“12 4,0 10“13
As 0,96 1,18 2,0'10"11 1,9 IO-12
Sb 1,19 1,38 2,0- 10~li 1,9 10-!2
Таблица 1.9. Зависимость времени жизни носителей заряда от длины
свободного пробега электрона в кремнии и германии
п- и p-типа электропроводности
Длина свобод- ного про- бега, мм Время жизни, мкс Длина свобод- ного про- бега, мм Время жизни, мкс
в германии в кремнии в германии в кремнии
p-типа /г-типа p-типа л-типа p-типа /г-типа р-ти- «-ти- па па
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1,0 1,0 2,3 3,3 8,3 4,3 9,1 14 33 10 20 30 75 17 36 53 133 27 57 83 208 39 82 103 293 70 146 183 521 88 184 254 658 109 227 268 813 1,1 1,2 1,3 1,4 1.5 2,0 3,0 3,5 132 275 345 984 157 327 411 1155 188 382 483 1347 213 445 560 1595 245 511 643 1831 434 920 1143 3253 978 2210 2575 7317 1362 2780 3500 9950
нике (табл. 1.8). Если в кристалле одновременно присутствуют примеси донора
и акцептора, то они электрически компенсируются, снижая время жизни носи-
телей заряда (табл. 1.9).
Подпитка кристаллизуемого расплава твердой фазой наиболее широко
применяется в методах однопроходной зонной плавки. В горизонтальном кон-
тейнерном методе зонной плавки, в первую зону которого помещают расчетное
количество легирующей примеси (метод зонного выравнивания), количество при-
меси рассчитывают по уравнениям (1.11).
46
Температура, К J Температура,
1.55. Диаграмма состояния
Ge: Au
МассоЬая доля Ge, %
Рис. 1,56. Диаграмма состояния
Ge: Bi
МассоОоя доля Si,%
о 10 20 30 ио 50 50 70 00 90 ТОО
1073
тз т
1573
W73
7073
§JJ7J
£
В №3
5 1173
* Массовая &оля5& У*
V и * *
швл\
20 30 U0 50 50 70
Атомная доля Sl,%
80 90 100
Si
973
933 /ормау^идкость^
973Г^
zf
о ю
Al
Рис. 1.57. Диаграмма состояния Рис. 1.58. Диаграмма состояния
Ge : As Si Al
4?
Рис. 1.59. Диаграмма состояния
Ga : In
Рис. 1.60. Диаграмма состояния
Si: Bi
Рис. 1.62. Диаграмма состояния
Si: Au
Рио. 1.61. Диаграмма состояния
Si: Ag
Распределение примеси после одного прохода расплавленной зоны подчи-
няется закону
G^kC'exp(-kx/l)f (1.13)
где С1 — концентрация примеси в 1 -й расплавленной зоне.
Расчетный выход материала G при заданном разбросе контролируемого А
определяют для данного метода, приближенного из равенства
Од«(А///гЬ)-ЮО. (1.14)
Для L/1—10 выход монокристалла, выращенного методом зонного вырав-
нивания с А = ±1О°/о, составляет при k, равном 0,001; 0,01 и 0,1, соответственно
90; 50 и 5%.
Метод зонного выравнивания наиболее эффективен для равномерного ле-
гирования примесями с малыми (менее 0,01) значениями k.
Подпитка кристаллизуемого расплава паровой фазой может носить как по-
ложительный, так и отрицательный характер. Для расчета условий подпитки
48
расплава из паровой фазы из равенства (1.3) вычисляют время насыщения
расплава примесью до заданной концентрации, затем находят постоянную ско-
рость кристаллизации. Постоянную скорость движения расплавленной зо-
ны f (см/с) определяют как
/=а'(Ср-С)/#, (1.15)
где Ср, С — равновесная и текущая концентрации примеси в расплаве, см~3;
N — концентрация примеси в кристалле, см~3; а' — приведенный коэффициент
взаимодействия, см/с. Его определяют из равенства
a' = aF/S, (1.16)
где а — коэффициент взаимодействия, см/с; F — свободная поверхность испаре-
ния расплава, см2; S — сечение выращиваемого кристалла, см2.
В методе Чохральского постоянную скорость кристаллизации определяют из
равенства
f=a'^/(^-l)][(Cp + C)^]. (1.17)
При проведении процесса в вакууме, когда Ср=0, уравнение (1.17) при-
нимает вид
f=a7(l-^), (1.17 а)
а при &<1
f«a'. (1.17 6)
В методе вертикальной бестигельной зонной плавки в качестве исходной
заготовки используют стержень с равномерным распределением примеси по
длине. Равновесную скорость движения расплавленной зоны для обеспечения
равномерного распределения примеси по длине монокристалла рассчитывают
графическим методом. С этой целью определяют значение fk для данных
условий процесса:
fk—4aNl/d(N3—N)f (1.18)
где f — скорость движения расплавленной зоны, см/с; k — эффективный коэф-
фициент распределения примеси; a — коэффициент испарения примеси, см/с;
N и — концентрация летучей примеси в выращиваемом кристалле и исходной
заготовке; / — длина расплавленной зоны, см; d — диаметр выращиваемого
монокристалла, см.
Определяя из уравнения (1.18) значение fk, по графику рис. 1.63 вычисля-
ют искомые значения [ и k.
Перед началом движения расплавленной зоны с равновесной скоростью
осуществляют выдержку расплавленной зоны в течение некоторого времени,
необходимого для понижения концентрации летучей примеси в ней до расчет-
ной C=N/k<N3 за счет испарения. Время выдержки т(с) определяют по
формуле
т=0,575б/lg(C/JVs)/a. (1.19)
Если рассчитанное значение C>N3, необходимо провести перекристаллиза-
цию начальной части заготовки с повышенной произвольно выбранной скоро-
стью в течение времени, определяемого по уравнению
т=-2,31&[(Л2-Л1С)/(Л2-ЛЛ3)],
где
Л1==(4а/+^)//а; A2=fN3/l. (1.20)
Рис. 1.63. Зависимость эффективного коэффициента
распределения k примеси фосфора в кремнии (/) и
произведения f k (2) от скорости кристаллизации
4 Заказ № 1270
49
Приведенные уравнения действительны для кристалла цилиндрической фор-
мы. На практике в начальной части кристалла образуется конус, длина которого
примерно равна 2/. В результате концентрации примеси в расплавленной зоне
сначала резко уменьшается, а затем постепенно возрастает, приближаясь к рав-
новесному значению. Поэтому скорость прохождения расплавленной зоной ко-
нусной части кристалла должна примерно вдвое превышать равновесную, рас-
считанную по (1.18).
Рассмотренная подпитка является отрицательной. Положительная подпитка
чаще всего используется в технологии бестигельной зонной плавки.
Подпитка кристаллизуемого расплава жидкой фазой в методе Чохральского
осуществляется с помощью капиллярного двойного тигля (рис. 1.36, а), где ра-
бочая часть, из которой выращивают монокристалл, соединена с подпитывающей
частью — капиллярным каналом. Геометрические размеры капиллярного канала
должны удовлетворять условию
(1.21)
где / — скорость выращивания монокристалла, имеющего сечение S, см/с; s — се-
чение капиллярного канала, см2; £>ж — коэффициент диффузии легирующей при-
меси в кристаллизуемом расплаве, см2/с; I — длина капиллярного канала, см.
При легировании кристаллизуемого расплава нелетучей примесью расчет
геометрических параметров капиллярного двойного тигля цилиндрической формы
производится по уравнению
1/£о=*, (1-22)
где k — эффективный коэффициент распределения; g0 — геометрический фактор,
^o=Vo/Vp; Vo и Vp — общий объем расплава в капиллярном двойном тигле и
в его рабочей части соответственно, см3. На практике g0=2,5, поэтому при
подпитке чистым расплавом можно легировать выращиваемые из него моно-
кристаллы примесями с k = 0,2...0,5. Условия выращивания однородного легиро-
ванного по длине монокристалла при этом выражаются соотношением
Сп/Ср=(^~1)/(^о-1), (1.23)
где Сп и Ср — концентрации примеси в подпитывающей и рабочей частях ка-
пиллярного двойного тигля.
Уравнение (1.23) действительно только для условия g0£>l. При А?=0 оно
переходит в уравнение (1.22), так как Сп=0.
Подпитка рабочей части капиллярного двойного тигля чистым расплавом
позволяет использовать примеси только с Аг<1, подпитка легированным —
с £<1 и £>1. В последнем случае СП>СР.
При легировании расплава в рабочей части тигля летучей примесью геомет-
рические параметры капиллярного двойного тигля определяются как
1/£о=Х, (124)
где К — обобщенный коэффициент распределения.
При легировании расплава летучей примесью в обеих частях тигля при
условии испарения ее только из рабочей части расчетное уравнение имеет вид
CP/Cn=U0A>-l)/(^0-l). (1.25)
Если в результате расчета £(Л>1, то подпитывающий расплав должен со-
держать примесь. При k = \ концентрации примеси в обеих частях тигля должны
быть равны, т. е. СП = СР. И если g0^=l, то уравнение (1.25) переходит в (1.22),
подпитку рабочей части тигля следует вести нелегированным расплавом.
Для практического определения условий выращивания монокристаллов из
капиллярного двойного тигля удобно пользоваться номограммой, представлен-
ной на рис. 1.64.
Поликристаллическую лигатуру, используемую в производстве полупровод-
ников, часто подготавливают в виде так называемых мерных загрузок. Они
представляют собой кубики или параллелепипеды, нарезанные из толстых пла-
стин полупроводника. Для германия поликристаллическая лигатура имеет вид
гранул, получаемых гранулированием расплава с помощью дозатора
(рис. 1.65). Масса мерных загрузок лигатуры должна соблюдаться
с точностью ±1%, а их состав — с точностью ±3%, что не выходит за
56
Ряс. 1.64. Номограмма для расчета условий
выращивания монокристаллов из капиллярно-
го двойного тигля (испарение летучей приме-
си из подпитывающей части тигля отсутст-
вует)
On/Ср
5,0-
ь.О
з,о-
20-1
О о) 04 0j5 0.8 J
0,8- -
О,б 04 0,2
2U3.O ^0(д/1якъП
1 ‘ 1 --1---Л
1,о(дпя1<<п
пределы точности измерения электрических
параметров полупроводников. Имея гранули-
рованную лигатуру с различным содержа-
нием легирующей примеси (в миллиграммах)
в одной грануле, можно осуществить на-
бор любой требуемой массы легирующей
О 0,2 04 0,6 0,8 1,0
примеси.
Важным параметром легирования расплава полупроводников твердым ве-
ществом является чистота этого вещества. Она должна быть высокой у при-
месей, имеющих минимальный эффективный коэффициент распределения, которые
вводятся в расплав в больших количествах. В этом случае даже небольшое
количество в легирующем веществе посторонних примесей может привести к
существенному загрязнению кристалла этими неконтролируемыми примесями.
Однако окончательный выбор легирующей примеси определяется характером
термообработки, которой будет подвергаться подложка из легированного по-
лупроводника с нанесенным на нее эпитаксиальным слоем. При длительной
термообработке при повышенных температурах предпочтение отдается примесям,
имеющим минимальный коэффициент диффузии в твердом состоянии, что обес-
печивает минимальный переход легирующей примеси из подложки в эпитак-
сиальный слой. Поэтому олово, у которого коэффициент диффузии на порядок
меньше, чем у серы и теллура (1,5-10-11, 2,1-10~10 и 1,1-10~1С' см2/с при 1173 К
соответственно), наиболее широко применяется в качестве донорной примеси в
арсениде галлия.
Помимо первичного (еще не употреблявшегося) поликристаллического ма-
териала значительную долю в сырье, используемом в массовом производстве
Рис. 1.65. Схема механического дозато-
ра для получения поликристаллических
гранул лигатуры германий — примесь:
/ — мешалка; 2 — корпус дозатора; 3 — ти-
гель с расплавом сильнолегированного полу-
проводника; 4 — нагреватель электросопро-
тивления; 5, 7 — шестерни; 6 — вращающий-
ся диск дозатора с калиброванными отвер-
стиями; 8 — вал; 9 — охлаждающий стол;
10 — сбрасыватель гранул; 11 — приемник
Рис. 1.66. Распределение продуктов
обработки монокристалла полупро-
водника по его длине:
q — готовая продукция; а — отходы от
механической обработки (резки, кали-
бровки и др.); 6 — конечная часть моно-
кристалла; о — обороты
4*
51
монокристаллов полупроводников, составляют так называемые обороты
(рис. 1.66). В их число входят брак монокристаллов по геометрическим разме-
рам, электрическим и структурным параметрам, а также остатки расплава в тиг-
ле или последней зоне.
По сравнению с первичным материалом обороты содержат повышенное ко-
личество неконтролируемых примесей, попадающих в материал в процессах его
переработки. По мере увеличения числа циклов переработки полупроводнико-
вого материала п количество неконтролируемых примесей в нем непрерывно
возрастает. Однако часть их удаляется из производства вместе с готовой про-
дукцией q и отходами а (рис. 1.66). В число последних входят все виды от-
ходов и потерь, которые не могут быть возвращены в полупроводниковое про-
изводство без дополнительной переработки, а также безвозвратные потери. Это
шлифпорошки и отходы от резки, обдирки и калибровки монокристаллов,
потери от окисления (угар), травления и др.
В ходе кристаллизационного процесса основная часть как легирующих, так
и неконтролируемых примесей, имеющих эффективный коэффициент распределе-
ния меньше единицы, концентрируется в конечной части монокристалла, кристал-
лизующейся последней, или в остатке расплава в тигле — лепешке 6 (см.
рис. 1.66). Поэтому после вывода ее в отвал или на извлечение ценных компо-
нентов обороты могут содержать неконтролируемых примесей меньше, чем
первичный материал, использованный для выращивания монокристаллов, при
раскрое которого они образовались.
1.4. Программирование кристаллизационного процесса
(изменение условий роста монокристаллов)
Обеспечение постоянной скорости захвата примеси растущим монокристал-
лом можно осуществлять и изменением условий роста монокристаллов (т. е.
программированием кристаллизационного процесса). Выход монокристалла G
с равномерным распределением нелетучей примеси по длине в условиях
программированного роста методами направленной кристаллизации определя-
ется следующими уравнениями:
G = 10()) (126)
1 —^min
для примесей с /г<С1 уравнение (1.26) принимает вид
G = (1—^min/^max) ' 100, (1.26 а)
где &min, /?тах — минимальный и максимальный эффективные коэффициенты
распределения, соответствующие минимальной fmin и максимальной /max ско-
ростям роста монокристалла, определяемым по графикам рис. 1.67, для
примеси
G = femaz/fem.n-l (1.27)
^тах— 1
Выход однородного монокристалла, выращиваемого методом зонного вырав-
нивания, определяется как
G = (l/£min~l/*max) • Ю0. (1.28)
Уравнение (1.28) используют и для программирования процессов выращива-
ния монокристалла из плавающего тигля, подпитываемого чистым расплавом.
Однако в отличие от метода Чохральского, где O^g^l, в методах зонного
выравнивания и плавающего тигля £>1. При этом для метода зонного вырав-
нивания g=Lfl, где L и I — длина слитка и зоны соответственно, а для метода
плавающего тигля g— Vn/V0, где Vn и Уо — объем расплава в плавающем и
основном тиглях соответственно.
52
Рис. 1.67. Зависимости наиболее рас-
пространенных акцепторных и до-
норных примесей в монокристаллах
германия (а) и кремния (б), выра-
щенных методом Чохральского, от
скорости кристаллизации f при ча-
стоте вращения кристалла со 40 (а)
и 55 мин-1 (б)
ММ/мин
Рис. 1.68 Зависимость эффективного
коэффициента распределения приме-
си сурьмы в мермании от скорости
кристаллизации f при различных ча-
стотах вращения кристалла со
примеси (подпитки) расплавом из газовой фазы
(gi) производится по уравнению
1 \ /7 2а'(Сп—С) \
Для случая поглощения
расчет доли первого участка
= "-29>
где и — эффективные коэффициенты рспределения примеси для начала
и конца первого участка; а' — приведенный коэффициент взаимодействия, см/с;
Ср — равновесная концентрация примеси в расплаве для имеющейся упругости
пара этой же примеси в граничащей с расплавом атмосфере, см~3; С — текущая
концентрация примеси в расплаве, см~3; А— заданная концентрация примеси
в выращиваемом кристалле, см~3; f3 и h—скорости выращивания монокристал-
ла, соответствующие началу и концу первого участка.
Текущую концентрацию примеси в расплаве определяют по уравнению
C^N/[(k^kB)/2]. (1.29 а)
Расчет программы выращивания монокристалла (изменения скорости роста
и числа оборотов кристалла), легированного нелетучей примесью в методе
Чохральского, производят на основании данных, получаемых из графиков за-
висимости эффективного коэффициента распределения для различных скоростей
выращивания кристалла (рис. 1.68).
Для этого на графике выбирают допустимые значения скоростей роста
Гтах и fmin И ЧИСТОТЫ ВращеНИЯ Кристалла (Отах И (Omin, КОТОрЫМ Соответствуют
определенные значения эффективных коэффициентов распределения #шах и &тт.
В пределах установленной таким образом области программирования АБВГ
на рис. 1.68 можно задавать любые варианты программ. Для облегчения оценки
расчетного выхода при выбранных условиях (f и со) выращивания монокристал-
ла шкала g приведена на рис. 1.68 рядом со шкалой К.
Расчет программы выращивания монокристалла, однородно легированного
летучей примесью, в методе Чохральского производят по схеме, аналогичной для
53
зонного выравнивания, т. е. процесс ведут с уменьшением скорости роста, на-
чиная от начала слитка с максимальной скорости. Расчет программы при по-
глощении расплавом примеси из паровой фазы производят по уравнению
£1 =
(l-go)-g(A
2а/(Ср—С) 1
N (/max—fi) J
1 ь Г1 2а'(Ср С) 1
1—Л1 I 1 — I
L W(fmax-fl) J
(1.30)
Для первого участка g0 принимают равным нулю.
На практике чаще всего выращивание монокристаллов методом Чохральско-
го проводят в вакууме (Ср = 0). Тогда для примеси с Л<1
4а'
k} Г
7---- (l-£o)-go*i 1- ^ь... ...
_________Яшах_______________Ц____(^max-r^i/ ymaxT/ij
£1 =
(1.31)
4а'
L (^max + ^1) (fmax + fl)
В этом уравнении go — доля предыдущего участка (для первого участка ^о=О),
т. е. gi—g0; Ag2=g2=gi и т. д.
Время кристаллизации (мин) каждой доли расплава определяют по урав-
нению
2,66(gl-g0)M
1 Рк^(Л)—Л)
(1.32)
где М — масса расплава, г; рк — плотность монокристалла, г/см3; d — диаметр
выращиваемого монокристалла, см; /0 и f\ — скорости выращивания монокри-
сталла, см/мин, соответствующие началу go и концу g\ данного участка.
1.5. Маркировка и основные свойства поликристаллических
и монокристаллических полупроводников
Германий маркируют буквенно-цифровыми индексами. Большими буквами
обозначают наименование полупроводника (Г — германий), способ получения
(Б — бестигельная зонная очистка), тип проводимости (Э — электронный, Д —
дырочный) и легирующая примесь (А — алюминий, Б — бор, С — сурьма, Г —
галлий, М — мышьяк, Ф — фосфор). Цифры указывают номинал удельного со-
противления и значение диффузионной длины или времени жизни носителей
заряда. Например, марка германия ГЭС0,3/02; Г — германий; Э — электрон-
ный; С — сурьма; 0,3 — удельное сопротивление (0,24...0,36) • 10“2 Ом м; 0,2 —
диффузионная длина 0,3 • 10~3 м. Плотность дислокаций и геометрические раз-
меры монокристаллов соответствуют значениям табл. 1.10. Диффузионная дли-
на и подвижность носителей заряда в монокристаллах германия в зависимости
от удельного электрического сопротивления и типа проводимости соответству-
ют значениям в табл. 1.11.
Таблица 1.10. Плотность дислокаций и размеры выпускаемого германия
Подгруппа плотности дислокаций Плотность дислокаций, см-2, не более Диаметр монокристалла, мм
1 50 28...40
2 2-Ю4 28...40
3 8-10з 28...40
54
Поликристаллический германий изготовляют марок ГПЗ-1, ГПЗ-2 и ГПЗ-З.
Удельное электрическое сопротивление поликристаллического германия при-
ведено в табл. 1.12.
Кремний маркируется подобно германию: КЭФ0,3/0,1; КЭФ1/0,15;
КЭФ7,5/0,5; КЭ15,0/0,5; КЭ50/03 и др.
Таблица 1.11. Диффузионная длина и подвижность носителей зарядов
выпускаемых марок германия
Удельное электрическое сопротивление, Ом.см Длина диффузии, мм, не менее Подвижность при 294 К, см2/(В-с), не менее
п-тип р-тип электронов дырок
0,10. ..0,23 1800 1300
0,24...0,49 0,8 0,3 2300 1400
0,50...0,89 0,4 0,5 2600 1500
0,90...2,4 0,5 0,6 3100 1600
2,5...5,9 0,8 0,8 3300 1760
6,0... 15,9 1,0 1,0 3400 1760
16,0...45 1,2 1,2 3600 1760
Таблица 1.12. Удельное сопротивление поликристаллического германия
Марка Удельное электрическое сопротивление, Ом-см, при температуре, К
291 292 293 294 295 296 297 298 299
ГПЗ-1 ГПЗ-2 ГПЗ-З 52 51 50 49 48 47 46 45 44 52 51 50 49 48 47 46 45 44 49 48 47 46 45 44 43 42 41
Таблица 1.13. Характеристики поликристаллического кремния
Марка кремния Уровень чистоты по бору, Ом-см Удельное элек- трическое сопро- тивление после одного прохода при бестигельной зонной плавке, Ом-см, не менее Размер слитка, мм
диаметр длина
КП-1 2000 10 33...50 400
КП-1с 2000 15 20...32 400 .
КП-2 1000 20 33...50 400
КП-2с 1000 25 20...32 400
кп-з 500 30 25 100
КП-Зс 1000 30 25 400
КП-4 1000 85... 130 33...50 400
КП-4с 1000 85...130 20...32 400
5э
Таблица 1.14. Характеристики монокристаллического кремния,
полученного методом Чохральского
Марка Удельное электриче- ское сопро- тивление, Ом «см Допустимый разброс удельного сопротив- ления, %, не более Плотность дислока- ций на нижнем тор- це слитка, см- Норма по малоугло- вым границам (МУГ) Длина слитка, мм, не менее Длина диффузии неосновных носи- телей заряда, мм, не менее Интервал предель- ных диаметров слитка, мм
>=: СО X X S о X о 1 по объему 1 по каждому торцу слитка
А 1.. .25 + 20 - +10 10 Более 1,5 мм 40 0,1 27.40
Б 25...45 + 20 — +12 10 Не регла- ментирует- ся 40 0,1 27..40
Б1 25.. 45 + 15 + 25 + 20 5-Ю4 То же 30 0,12 27...35
В 45...75 — + 20 + 15 10 1,5 мм 40 0,12 27.. 40
д 45..110 + 30 - +15 10 1/6 диамет- ра слитка 60 0,1 27...40
г 50.. 140 — + 25 + 15 5 104 — 40 0,12 27...40
п 80... 180 — - +10 10 40 0,3 54..56
б4 20..50 — + 25 — 104 Без МУГ длиной бо- лее 1,5 мм 40 0,1 27.40
б2 5.. 55 + 10 - +10 10 Без МУГ 40 0,2 29,5; 37,5; 46,5, 56,5
Б3 5. .55 + 10 — +10 10 То же 40 0,2 29,5; 37,5; 46,5; 56,5
Таблица 1.15. Атомная доля примесей, %, в германии и кремнии
особой чистоты
“% 5 в х ®-2 <и ExS Германий Кремний
Допустимая примесь Предел обнаружения Допустимая примесь Предел обнаружения
Al 1 io-7 5 ю-6 (1...10) • IO-7 5-10—5
В 1 • io-6 2 10-5 МО"7 5-Ю-5
Н ыо-4 — 1-10-3 —
Ga (1...10)- ю-7 2 10-е — —
Fe 110-7 5 10-6 1-Ю-7 5-IO-5
О 110-3 — 110-7 110-5
Mg 5 10-6 5 10-6 МО"7 1 10-5
Мп МО"7 — МО"7 1 10-5
Си 1 10-8 5 10-6 1 io-8 5 10-5
Na 1-10-7 — —
Pb 110-7 510-« 1-10-7 5 10-5
Ag 1-Ю-7 1 10-8 1-Ю"7 1 10-5
Р 5 10-6 5 10-8 (1...10) - ю-8 1-Ю-4
Zn 110-7 5 IO-5 1-10-7 —
56
Таблица 1.16. Характеристики монокристаллического кремния,
полученного методом БЗП
Марка “ Удельное электри- ческое сопротивле- ние, Ом»см Допустимый разброс удельного сопротив- ления, %, не более Плотность дислока- ций на нижнем тор- це слитка, см“2 Норма по МУГ Длина слитка, мм, не менее Длина диффузии неосновных носи- телей заряда, мм, не менее Интервал предель- ных диаметров слит- ка, мм, не более Допустимый разброс диаметра слитка от заказного номинала, мм, не более
от номинала по объему по каждому торцу слитка
БА ББ 12...25 25...45 ±20 ±20 ±12 ±12 5 104Без МУГ более 1/6 диамет- ра слитка 5-104 То же 40 40 0,1 0,1 25.. 30 ±1,5 25 .30 ±15
БВ 45..75 — ±20 ±12 5-104То же 40 0,1 25 .30 ±15
БГ 50...140 — ±25 ±15 5-Ю4 » 40 0,1 25...30 ±15
БГХ 50... 140 — ±30 + 15 5-Ю4 > 30 0,1 25 .30 ±15
БД 80... 140 — — + 10 Ю Не регла- ментирует- ся 30 0,25 33 ..37 —
Б^ 80... 150 — — + 15 10 То же 30 0,25 33 .37 —
БЕ 140...260 — +20 + 15 5-Ю4 — 40 0,2 43 47 —
BEj 140...260 +20 + 15 5-Ю4 Без МУГ длиной бо- лее 1/6 диа- метра слит- ка 40 0,2 33 ..37 —
бе2 190.260 — — + 15 Ю То же 30 0,3 43...47 —
БЖ 180...300 — — + 15 5-Ю4 — 30 0,35 43 ..47 —
БЖ! 180...320 +25 + 15 5-104Без МУГ длиной бо- лее 1/6 диа- метра слит- ка 30 0,2 43 ..47 —
БИ 250..500 — + 15 + 20 5-104 То же 40 0,2 33 ..37 —
БИ1 200. .500 ±25 —. + 15 5-104 » 40 0,3 33...37 —
БЕз 5..50 15 — 10 10 — 45 0,16 40...50 ±1,5
БЕ* 5...50 15 — 10 10 — 45 0,16 50...60 ±2
* В интервалах удельных сопротивлений 50... 100 и 100...600 Ом-см длина диффузии
неосновных носителей заряда не менее 25 и 35 мм соответственно.
Марки и параметры поликристаллического кремния, изготавливаемого про-
мышленностью, приведены в табл. 1.13. Монокристаллический кремний в основном
получают методом Чохральского в виде слитков. Основные требования к нему
приведены в табл. 1.14. Содержание примесей в германии и кремнии особой
чистоты приведено в табл. 1.15. Монокристаллический кремний изготовляется
в вакууме или газовой среде по методу Чохральского (марки А, Бь Бг, Б3, Б4,
В, Г, Г1, табл. 1.14), по методу бестигельной зонной плавки (марки БА, ББ,
БВ, БГ, БД, БЕ, БЕЬ БЖ, БЖЬ БИ, БИЬ БЕ3, БЕ4, табл. 1.16) ориента-
цией (111) или (100). Слитки легируются в основном бором или фосфором, их
параметры соответствуют требованиям, указанным в табл. 1.14, 1.16, 1.17.
Для силовой полупроводниковой техники выпускаются марки А-15, Б-30, БД,
БА-15/27,5 (табл. 1.14, 1.16).
57
Таблица 1.17. Характеристики монокристаллического кремния
общего применения
Марка Груп- па Удельное электрическое сопротивление
Диапазон номиналов, ОМ’СМ Предельное отклонение от номинала. %
Плотность
________________о
дислокации, см ,
не более
КДБ 1А 1Б 2Е ЗА 1...15 1...20 500...2000 0,005...! ±15 ±20 ±35 ±30; ±35 (2...50) • Юз (2...50) • Юз 5 -104 5 Юз
КДА 4А 0,02..0,2 ±20; ±25 5-104
КЭФ 1А 1...15 ±15 (2...50) • Юз
1Б 1...20 ±20 (2...50) • Юз
2А 15 .25 ±15; ±20 (1...50). 103
2Б 25 ..45 ±15; ±25 (2...5) • 104
2В 40...75 ±25 5104
2Г 50... 140 ±25; ±30 (2...5) • 104
2Д 100...250 ±30 5104
ЗА 0,005...! ±10; ±15; ±20 (5...50) • Юз
ЗБ 0,008...! ±7 5104
ЗВ 0,005.0,1 ±25 5 -Юз
кэс ЗВ 0,005...0,1 ±10; ±15 (2...50) • 102
КЭФЗ 5А 3...18 ±30 (2...50) • Юз
5Б 20...40 ±30 (2...50). Юз
5В 40... 120 ±40 (2...50)-10з
Таблица 1.18. Характеристики монокристаллического арсенида галлия
Марка Допустимый предел концентрации, см—3 Подвиж- ность но- сителей зарядов, см2/(В‘С) Кристаллографиче- ская ориентация
ЭАГЭТ10-18 610'8 1400 (111)
ЭАГЭТ5-18 2-1018 1600 (100), (111)
ЭАГЭТ14.5-17 (7...20) • 1017 2800 (100), (111)
ЭАГЭТ5,5-17 (4.7) - Ю47 3200 (100), (111)
Э АГЭТЗ-17 (1...5) • Ю17 3600 (100), (111)
ЭАГЭТЗ-17 (1...5) • 1017 3400 (100), (111)
ЭАГЭО1-17 (8...20) • 1016 3600 (111)
ЭАГЭО4-16 (3...8) • 1016 3800 (111)
ЭАГЭО2-16 (1...3) • 1016 4300 (111)
ЭАГЭО1-16 МО18 4500 (111)
ЭАГЭО14,5-17 (7...20) • 1017 1800 (100), (111)
Арсенид галлия имеет следующие марки: АГЭ-15, АГЭ4-16, АГЭТЗ-17,
АГЭТ4-18, АГД-23-18, АГДЦ2-19, АГДЦ4-19 и др., где буквы А и Г означают
арсенид галлия, Э и Д — электронную и дырочную проводимость, Т и Ц — ле-
гирующие материалы (теллур и цинк); цифры показывают концентрацию основ-
ных носителей заряда (вторая цифра — показатель степени десятичного по-
рядка) .
58
Наибольшее применение нашли следующие марки антимонида индия: ИСЭ-2,
ИСЭТ-3, ИСДГ-4, ИСДЦ-5. В марке буквы ИС означают полупроводниковый
материал (индий, сурьма); Э и Д — тип проводимости, Т, Г и Ц — легирующую
примесь (теллур, галлий, цинк).
Параметры и характеристики материалов, часто применяемых в электрон-
ной технике, приведены в табл. 1.18—1.22.
Таблица 1.19. Характеристики монокристаллического арсенида индия
Марка Концентрация носи- телей заряда, см“3 Подвижность носителей заряда, см2'(В-с) Плотность дислокаций, см-2 Диаметр слитка, мм
имэо 5-Ю16 3-Ю14 103 20...25
ИМЭ-1 3-10’6 4-104 ЗЮ8 20...30
5-Ю2 20...30
7-103 20...33
1-Ю4 20...38
ИМЭ-2 5-Ю16 ЗЮ4 5 -Юз 20...25
7-Юз 20...33
1-Ю4 20...38
ИМЭТ-1 (1 . 10). 1017 104 5 103 20...30
ИМЭТ-2 (9...20) 1017 5-Юз 20...38
имэт-з (1...5) • 1018 104 5-Юз 20...30
ИМЭТ-4 51018 5-Ю4 Юз 20...30
ИМЭО-1 (10.. 50) • 1017 104 7-Юз 20...33
ИМЭО-2 (9...20) • 1017 104 5-Ю3 20...38
ИМЭО-3 (1...5)-1018 104 5-Юз 20...30
ИМЭО-4 51018 5-Ю4 Юз 20...30
ИМДЦ-1 (1 ...3) • 1016 104 7-Ю3 20...30
ИМДЦ-2 (1 ...10) • 10’6 104 7-103 20...30
имдц-з (1...100) • 1017 104 1-104 20...38
ИМДЦ-4 (1...10) • Ю19 104 1-Ю4 20...38
Таблица 1.20. Характеристики монокристаллического антимонида индия
Марка Концентрация носителей заряда, см-3 Подвижность носителей заряда, см2/(В-с) Удельное сопротивление, Ом-см Плотность дислокаций, см-2
Электронный тип проводимости
ИСЭ-1 (1...2) -1014 2-105 50 1-Юз
ИСЭ-2 (3...9)-1014 2-Ю5 50 1-Ю3
ИСЭТ-3 (1...1000). 10’5 4-105 50 5-Юз
Дырочный тип проводимости
ИСДГ-1 (1...50) -10’2 3-103 50...500 1-Юз
ИСДГ-2 (3...50) • 1012 4-Юз 50...300 1-Юз
ИСДГ-3 (5...30) -1012 5-103 50...250 1-103
ИСДГ-4 (5...100) • 1013 1-103 50 5-103
ИСДГ-5 (1...1000) -1015 1-Юз 50 5-103
59
Таблица 1.21. Характеристики монокристаллического антимонида галлия
Марка Легирующий элемент Концентрация основных носи- телей заряда, см“3 Подвижность основных но- сителей заря- да, см2/(В-с) Плотность дислокаций, см-2
Электронный тип проводимости
ГСЭ(Т)-1 Теллур (2...10) 1017 2500 2 IO»
ГСЭ(Т)2-2 1.4-1018 2000 2 IO»
Дырочный тип проводимости
ГСД-1 — (8..50)-1016 600 103
ГСД-2 — (1,2...27) • 1017 700 103
ГСДГ(Ц)-1 Германий, (5...50) • 1017 ’ 200...300 2 103
цинк
ГСДГ(Ц)-2 То же (5...50) • 10’8 150...200 2 Юз
ГСДГ(Ц)-3 (5...8)-1019 140...150 5 Юз
Таблица 1.22. Характеристики монокристаллического фосфида галлия
Марка Концентрация носителей заряда, см-3 Подвижность носителей заряда, см2(В-с) Плотность дислокаций, 9 см 4
Электронный тип проводимости
ФГЭТЧ-5,5-17 (2...9) • Ю17 80 105
ФГЭТЧ-2-17 (1...3-1017 120 5 104
ФГЭТЧ-7,5-17 (5...1)1018 60 5 104
ФГЭЧ-1-17 (1...2)-1017 120 5 104
ФГЭТЧ-1,25-17 (0,5...2) • 1017 ПО 5-104
ФГЭСЧ-3-17 (1...5) • 1017 100 5 104
ФГЭТЧ-3-17 (1...5)1017 100 5 104
ФГЭСЧ-6-17 (3...9)1017 80 105
ФГЭТЧ-4-18 (1...7) • 1018 60 ю5
ФГЭТ-2-17 2-Ю17 80 5-Ю4
ФГЭС-3-17 ЗЮ*7 80 5-Ю4
ФГЭ-5-16 5-Ю18 60 105
ФГЭТ-3-17 ЗЮ17 80 5 104
ФГЭТ-4-18 4 1018 100 5-Ю4
ФГЭС-2-17 21017 80 105
ФГЭС-6-17 6-1017 80 Ю5
ФГЭС-4-18 4-Ю18 100 5 - Ю4
Дырочный тип проводимости
фГДЦ-2-19 2-1019 100 5-Ю4
ФГДЦЧ-4-18 (1...7) • 1018 20 105
60
Глава 2
Механическая обработка кристаллов
полупроводниковых материалов
2.1. Подготовка монокристаллов к резке на пластины
Калибровка монокристаллов полупроводниковых материалов. Обеспечивает
придание им строго цилиндрической формы и заданного диаметра. Калибровку
монокристаллов полупроводников проводят чаще всего методом круглого шли-
фования на универсальных круглошлифовальных станках, снабженных алмаз-
ным шлифовальным кругом с зернистостью, обозначенной 50/40 (основная фрак-
ция 40 мкм, а количество крупной, размером 50 мкм, не более 15%). Перед
операцией калибровки к торцам монокристалла наклеечной мастикой приклеива-
ют металлические конуса («центры») таким образом, чтобы их ось совпадала с
продольной осью монокристалла. Режимы калибровки: частота вращения шли-
фовального круга 2500±500 мин-1; частота вращения монокристалла
350±50 мин-1; скорость продольной подачи шлифовального круга 2. .4 м/мин,
а поперечной 5-10-3...2-10-2 мм за один двойной ход.
После калибровки на поверхности монокристалла образуется нарушенный
слой глубиной 50...250 мкм в зависимости от скорости продольной подачи. При-
сутствие его на периферии подложек может вызывать появление сколов, а при
последующей высокотемпературной обработке приводить к генерации структур-
ных дефектов, распространяющихся в центральные области подложки. Для сня-
тия нарушенного слоя прошедшие операции калибровки монокристаллы полу-
проводников подвергают операции химического травления.
Кристаллографическая ориентация монокристаллических слитков. В процес-
се роста монокристаллов наблюдается несоответствие оси слитка кристаллогра-
фической оси. Для получения пластин, ориентированных в заданной плоскости,
до резки производят ориентацию слитков. Способы ориентации кристаллов опре-
деляются их природой, типом детали и ее функциональным назначением. Опти-
чески изотропные диэлектрики ориентируют для учета влияния технологических
свойств кристалла на точность параметров детали. У анизотропных диэлектри-
ков положение преломляющих и отражающих поверхностей детали зависит от
требуемого преобразования светового потока. Ориентация полупроводников пре-
дусматривает определения кристаллографической плоскости, в которой материал
имеет заданные электрические свойства.
Ориентацию оптически изотропных диэлектриков
(КС1, NaCl, КВг, NaF, LiF, CaF2 и др.) выполняют по отношению к оси роста
кристалла либо по направлениям плоскостей спайности.
Ориентацию одноосных диэлектриков (SiO2, СаСОз, А120з,
CaWO4, КН2РО4 и др.) выполняют с помощью поляризационного микроскопа или
коноскопа, наблюдая картины интерференции. Метод основан на том, что эти
картины в сходящемся пучке поляризованного света можно видеть только в
направлении оптической оси кристалла. В зависимости от распределения раз-
ности хода и направления колебаний в различных пучках вид картин при про-
хождении света через пластинку, вырезанную перпендикулярно и параллельно
оптической оси, неодинаков. Если плоскости разреза отклоняются от положения,
перпендикулярного или параллельного оптической оси, фигуры смещаются с
центра поля зрения. Отклонение определяют по углу, на который необходимо
наклонить пластинку для их совмещения.
Ориентация кварца с естественными гранями может быть выполнена
по его внешним признакам, так как оптическая ось кристалла проходит от вер-
шины пирамиды перпендикулярно плоскости, лежащей вдоль естественного
штриха на гранях. Точность такого способа ориентации невысока. Погрешность
достигает 3°. Ориентацию с точностью порядка единицы выполняют с помощью
коноскопа (рис. 2.1). Свет от источника 4 направляется параллельным пуском
на поляризатор — полупрозрачное зеркало 3, проходит через объектив 5, контро-
лируемую пластинку 6 и попадает на зеркало 7. Отраженный от него свет
61
падает на анализатор 2 и попадает в
окуляр 1. Стол, на который устанавли-
вают образец, может изменять угол на-
клона по отношению к оптической оси
прибора. Помимо двойного лучепрелом-
ления кварц способен вращать плос-
кость поляризации. Различают право- и
левовращающий кварц. Направление
вращения плоскости поляризации в кри-
сталле определяют, вводя между объек-
тивом 5 и испытуемым образцом конт-
рольную пластинку из кварца, направ-
ление вращения плоскости поляризации
которого известно. Если вид коноскопи-
ческой картины не меняется, направле-
ния вращения плоскости поляризации ис-
пытуемого кристалла и контрольного об-
разца одинаковы; если вместо креста
будут видны спирали Эри, то направле-
ния неодинаковы. Направление, в кото-
ром искривлены концы спирали, соответ-
ствует направлению вращения плоскости
Рис. 2.1. Оптическая схема коно- поляризации.
скопа Ориентация кальцита, так
же как и кварца, в начальной стадии
может быть выполнена по внешним при-
знакам кристалла — его оптическая ось проходит через вершины ромбоэдра с ту-
пыми углами между гранями. Ориентация поверхностей относительно оптической
оси проще, чем у кварца, так как кальцит имеет совершенную спайность и посто-
янство углов между плоскостями скола и направлением оптической оси. Положе-
ние ориентируемых поверхностей контролируют на коноскопе.
Ориентацию рубина выполняют на конометре (рис. 2.2), состоящими
из осветителя с поляризатором 1, зрительной трубы с анализатором 2, держа-
теля 3, который может перемещаться в горизонтальной плоскости и поворачи-
ваться вокруг вертикальной оси. Ориентируемый кристалл 4 устанавливают в
держатель, вращением вокруг оси роста находят положение, при котором опти-
ческая ось располагается в горизонтальной плоскости (этому положению соот-
ветствует наиболее темная окраска кристалла), фиксируют это положение и
опускают держатель в кювету 5 с иммерсионной жидкостью, что исключает
при наблюдении влияние цилиндрической формы образца. Поворотом держателя
вокруг вертикальной оси кристалл устанавливают так, чтобы его оптическая ось
совпала с оптической осью прибора. При этом должна наблюдаться коноско-
пическая картина, симметричная относительно центра поля зрения. По лимбу
держателя отсчитывают искомый угол. Перемещением кристалла в горизонталь-
ном направлении определяют ориентацию оптической оси по его длине.
Рис. 2.2. Оптическая схема
конометра
62
Ориентацию полупроводников проводят рентгеновскими или
оптическими методами.
Рентгеновский метод основан на отражении рентгеновских лучей
от поверхности полупроводникового материала. Интенсивнось отражения зависит
от плотности упаковки атомами данной плоскости. Кристаллографической плос-
кости, более плотно упакованной атомами, соответствует большая интенсив-
ность отражения лучей. Кристаллографические плоскости полупроводниковых
материалов характеризуются определенными углами отражения падающих на
них рентгеновских лучей. Величины этих углов для германия и кремния приве-
дены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Углы отражения для германия и кремния
Полупроводнико- вый материал Углы отражения от плоскости (111) | (110) | (100)
Германий Кремний 17° 14' 28°56' 43° 10' 17°56' 30° 12' 45°23'
Рентгеновский дифрактометрический метод основан на измерении угла от-
ражения характеристического рентгеновского излучения от идентифицируемой
плоскости. Для этого применяют рентгеновские дифрактометры общего назна-
чения, например типа ДРОН-1,5, или рентгеновские установки, например типа
УРС-50И (М), и другие, снабженные рентгеновскими гониометрами и устройст-
вами, обеспечивающими вращение горизонтально располагаемого монокристалла
вокруг оси с заданной скоростью.
При проведении измерения (рис. 2.3) падающий на торцевой срез моно-
кристалла рентгеновский луч направляют под брэгговским углом отраже-
ния р, град, рассчитываемым по формуле p = arcsin лгХ/(2с?), где d — межплос-
костное расстояние, нм; X — длина волны характеристического излучения рент-
геновской трубки, нм; п — порядок отражения.
Счетчик рентгеновских квантов (Гейгера) располагают под углом 2р к па-
дающему лучу. Если ориентируемая плоскость, например (111), составляет
некоторый угол а с торцевым срезом монокристалла, то отражение от нее мож-
но получить, повернув монокристалл на этот же угол.
Определение угла отражения проводят относительно двух взаимно перпен-
дикулярных осей, одна из коюрых лежит в плоскости чертежа (рис. 2.3), а
Рис. 2.3. Схема ориентации моно-
кристаллов полупроводников рентге-
новским методом:
1 — падающий рентгеновский луч; 2 —
монокристалл; 3 — отраженный рентгенов-
ский луч; 4 — счетчик Гейгера
Рис. 2.4. Схема ориентации моно-
кристаллов полупроводников опти-
ческим методом (а) и световые фи-
гуры (6), отражающиеся от плоско-
стей, ориентированных различным
образом
63
другая — в перпендикулярной ей плоскости. Угол разориентации измеряемой
плоскости у, град, от плоскости (hkl) рассчитывают по формуле
y = arc(tg a2 + tg р2)1/2. (2.1)
При аир менее 7° формула (2.1) упрощается: у — (а2+Р2)1/2.
Оптический метод основан на том, что на протравленной в селектив-
ном травителе поверхности полупроводника возникают фигуры травления, кон-
фигурация которых определяется ее кристаллографической ориентацией
(рис. 2.4, а). На поверхности (111) фигуры травления имеют форму трехгран-
ных пирамид, а на (100) —четырехгранных. При оснащении такой поверхности
параллельным пучком света отражающиеся лучи будут образовывать на экране
световые фигуры типа показанных на рис. 2.4, б.
В зависимости от того, насколько сильно отклонена плоскость торцевого
среза монокристалла от плоскости (hkl), световая фигура, образованная от-
раженным пучком света, будет находиться ближе или дальше от центра экра-
на. По величине отклонения световой фигуры от нулевого деления экрана
определяют угол отклонения а плоскости торца монокристалла от плоскости
(hkl). Затем, поворачивая монокристалл на 90°, определяют другой угол р.
После выполнения ориентации монокристалла на его торце твердосплавным
резцом наносят стрелку, направление которой указывает, в какую сторону от
торца монокристалла отклонена требуемая плоскость. Точность ориентации мо-
нокристаллов полупроводников рентгеновским методом ±(2...6)', а оптическим
± (15...30)'.
Затем на монокристалле делают шлифовкой базовый и дополнительные
(маркировочные) срезы. Первый необходим для ориентации подложек на опе-
рациях фотолитографии. Его располагают в направлении [ПО] или под уг-
лом 45° к направлению [112]. Дополнительные срезы делают для идентифика-
ции пластин полупроводников различных марок и имеющих различную кристал-
лографическую ориентацию. Примеры расположения дополнительных срезов по-
казаны на рис. 2.5. Базовый срез шлифуют до получения дорожки шириной
18...22; 20...25; 30...35 мм, а дополнительные срезы до 8...10; 9...11 и 16...20 мм
для монокристаллов диаметром 60, 76 и 100 мм соответственно.
Базовые и дополнительные срезы на монокристалле делают на плоскошли-
фовальном станке, снабженном алмазным шлифовальным кругом зернистостью
50/40. Режимы шлифования: частота вращения шлифовального круга
2500±500 мин-1; скорость продольной подачи монокристалла 3...4 мм/мин;
скорость вертикальной подачи шлифовального круга 5-10-3...1 • 10-2 мм/мин;
скорость поперечной его подачи 0,1...0,2 мм за двойной ход. После шлифовки
базовых и дополнительных срезов монокристалл полупроводника подвергают
химическому травлению для удаления нарушенного поверхностного слоя.
При ориентировании торцевых срезов монокристаллов кремния и германия
рентгенодифрактометрическим методом или методом световых фигур определя-
ются направление разориентации и величина угла между плоскостью торцевого
среза монокристалла и заданной кристаллографической плоскостью, делается
разметка торца монокристалла. Эти данные указываются в сопроводительной
документации и затем используются при установке монокристалла в станке для
резки его на пластины, причем угол установки монокристалла обычно прихо-
дится корректировать после проверки ориентации поверхности контрольной пла-
стины.
Использование автоколлимационного метода в сочетании с методом свето-
вых фигур дает возможность ориентировать монокристаллы непосредственно на
станках для резки.
Приборы могут крепиться на ориентируемом монокристалле и на держателе,
на котором наклеивается монокристалл. Приборы предназначены для исполь-
зования на станках, характеризующихся таким расположением ориентируемого
монокристалла и отрезного круга, при котором торцевая поверхность монокри-
сталла и поверхность отрезного круга, отражающие пучок лучей, выходящий из
объектива автоколлиматора, обращены в одну сторону (станки типа «Ал-
маз-4»), Если монокристалл и отрезной круг расположены так, что поверхности,
от которых должен отражаться выходящий из объектива автоколлиматора пучок
64
лучей, обращены в разные стороны, как на станках «Алмаз-бМ», то с целью
обеспечения возможности ориентирования монокристаллов автоколлимационным
методом необходимо перед объективом автоколлиматора установить отражаю-
щий элемент (светоделительное устройство), который отклоняет пучок лучей,
выходящий из объектива, на 90° по отношению к оси объектива и направляет
его в двух взаимно противоположных направлениях. В качестве такого элемен-
та используется прямоугольная отражающая призма.
д)
/и
mi
Рис. 2.5. Расположение дополнительных срезов на пластинах кремния различ-
ных марок и кристаллографической ориентации:
а) КДБ-10 (111); б) КЭФ-4,5 (100); в) КЭФ-4,5 (111); г) КДН-10 (100); д) КЭФ-7,5
(111); е) КЭФ-1 (111); ж) КЭФ-0,5 (111); з) КЭФ-0,2 (111); и) КЭФ-2 (111); к) КЭС-0,01
(111); л, м) кремний п- и p-типа проводимости соответственно, не вошедший ни в одну
группу марок
5 Заказ № 1270
65
А-Д
Рис. 2.6. Схема ориентирования мо-
нокристаллов на станке «Алмаз-6М>
автоколлиманионным методом
При ориентации монокристаллов на станке «Алмаз-6М> (рис. 2.6) пучок
лучей света направляется из осветителя 1 через диафрагму 2 на полупрозрачное
зеркало 3, отразившись от которого через объектив 11 падает на призму 10,
имеющую отражающее покрытие на катетных гранях. Пучки лучей, отраженные
гранями призмы, поочередно с помощью шторки 8 направляются через защитные
стекла 7 на торец монокристалла 6 и на поверхность отрезного круга 9. Отра-
женные лучи проходят через полупрозрачное зеркало и наблюдаются на матовом
экране с сеткой 4 через окуляр 5. В процессе ориентирования добиваются совме-
щения в перекрестии сетки автоколлимационных бликов от торца монокристалла
и поверхности отрезного круга, которое свидетельствует о параллельности за-
данной кристаллографической плоскости отрезного круга. Совмещение достига-
ется поворотом автоколлиматора вокруг вертикальной и визирной осей и пово-
ротом монокристалла вокруг вертикальной и горизонтальной осей.
При ориентации полупроводниковых кристаллов, используемых в лазере,
допустимое отклонение поверхности обработки от
заданной кристаллографической плоскости ограни-
чено пределом от 30" до Г, так как от точности их
совмещения зависит качество эпитаксиальных пленок
и мощность генератора. Такую точность обеспечивает
метод, в основу которого положен закон постоянст-
ва углов кристаллов. По известному направлению и
значению углов между кристаллографическими плос-
костями, из которых одна является базовой, можно
найти положение любой другой плоскости. Ориента-
ция сводится к следующему (рис. 2.7): определив
предварительно по фигурам отражения плоскости
спайности, скалыванием по (111) наносят площад-
ки I и II, которые пересекаются с ориентируемой
поверхностью А, а между собой составляют угол
Рис. 2.7. Ориентация по постоянству соотношения
углов кристаллов
66
у=60° (или 120a) при ориентации по плоскости (111) или у=90° при ориентации
по плоскостям (110) и (100). Углы а! и а2 между ориентируемой поверхностью
и плоскостями сколов измеряют на гониометре с точностью ±5". В соответствии
с законом постоянства углов значения углов Pi и [32, образуемых плоскостями
сколов с искомой кристаллографической плоскостью, известны. Разность значе-
ний между этими и измеренными углами (ai и а2) характеризует направление
искомого угла отклонения ориентируемой поверхности от искомой кристаллогра-
фической плоскости.
2.2. Материалы для наклейки слитков, пластин и кристаллов
Для закрепления монокристаллических слитков, пластин и кристаллов в тех-
нологическом процессе их обработки (резки, шлифования или полирования)
применяют клеящие вещества, которые наряду с обеспечением надежного соеди-
нения должны хорошо сниматься с поверхности после завершения обработки.
К наиболее распространенным материалам относятся сплавы термопластичных
веществ (наклеечные смолы, наклеечные парафины, наклеенные воски, сплавы
металлов с низкой температурой плавления), сублимирующиеся вещества и гипс,
водные растворы которого переходят в твердое состояние.
Наклеечные смолы. Представляют собой смеси ряда веществ, взятых в опре-
деленных весовых соотношениях. Основные компоненты наклеенных смол сле-
дующие.
Канифоль — остаточный продукт переработки естественной смолы (жи-
вицы) сосны; хрупкая, прозрачная, стекловидная масса желтого цвета. Выпу-
скается четырех марок: А, Б, В, Г, в которых содержание влаги изменяется от
0,2 до 0,4%, а механические примеси колеблются от 0,03 до 0,1%. Температура
размягчения равна 341, 339, 327 и 346 К соответственно для всех марок. Кани-
фоль растворима в маслах, ацетоне, эфире, спирте, скипидаре и хуже в бензине.
Она имеет высокую клеящую способность и входит в наклеечные смолы
всех марок в количестве от 25 до 90%. С увеличением содержания канифоли
твердость и температура размягчения смолы повышаются.
Пек сосновый — остаточный продукт переработки дегтя, получаемый
путем термической обработки древесины с большим содержанием смолы. Тем-
пература его размягчения 318...333К. Пек хорошо растворяется в бензине, аце-
тоне и хуже в спирте. Он является компонентом наклеенных смол большинства
марок, где играет роль пластификатора, понижая вязкость смолы, придавая ей
эластичность и увеличивая клеящую способность. При низких температурах пек
течет.
Парафин — белый термопластичный материал с крупнокристаллической
рыхлой структурой. Температура размягчения и плавления 323...338 К. При на-
клейке полупроводниковых пластин к шлифовальным и полировальным план-
шайбам на нагретую до температуры 333...343 К металлическую планшайбу на-
носят тонкий слой парафина, на который укладывают полупроводниковые пла-
стины, а сверху создают равномерную нагрузку. При затвердевании парафин
жестко скрепляет контактируемые поверхности. Парафин устойчив к действию
щелочей и кислот. Коэффициент усадки 10... 12%.
Битум — продукт, получаемый из тяжелых нефтяных остатков, богатых
асфальтосмолистыми веществами. Его основные составляющие: асфальтены,
смолы, нефтяные масла. Первые обусловливают твердость, вторые — цемента-
цию и эластичность битума, третьи являются средой, разжижающей смолы и
асфальтены. Температура размягчения твердого битума 333...363 К. В состав
смол его вводят в количестве до 2% для повышения упругих свойств.
Воск — желтый термопластичный материал органического или раститель-
ного происхождения. Он имеет кристаллическое строение и представляет собой
соединение сложных эфиров, спиртов, кислот. Растворяется в ацетоне, трихлор-
этилене, бензине и плохо в спирте. Устойчив к действию кислот. При нагревании
до 333...343 К размягчается и при дальнейшем повышении температуры расплав-
ляется. При охлаждении застывает, образуя твердую пленку, коэффициент усад-
ки 4,5%. В состав смол некоторых марок воск вводят в количестве от 3 до
25% для повышения пластичности.
5*
67
Шеллак — смолистое вещество чешуйчатого строения, желто-коричневого
цвета, органического происхождения. Температура размягчения 353...363 К, плав-
ления 383...393 К. Плотность 1,04 г/см3. Коэффициент усадки 3,6%, водонепро-
ницаемость не превышает 5%. Растворяется в спирте и щелочах; почти нерас-
творим в эфире и бензине. В состав смол некоторых марок его вводят в
количестве 40...50% для повышения механической прочности. В смолах, исполь-
зуемых в больших количествах, дорогостоящий шеллак заменяют тальком или
графитом. Используется для наклейки как в чистом виде, так и в виде шеллач-
во-бакелитовой мастики, состоящей из перемешанной смеси: 380 г шеллачного
в 40 г бакелитового лака, 3 г уротропина, 550 г талька и 350 г литопона. Вве-
дением в мастику этилового спирта задают требуемую вязкость.
Церезин — термопластичное кристаллическое вещество желтоватого цве-
та. Усадка при охлаждении 7...8%. Температура размягчения и плавления на-
турального и синтетического церезина 333...353 и 363...373 К соответственно.
Номенклатура наклеечных смол, учитывающая вид операции, конструктив-
ные формы, размер и точность деталей, весьма широка.
Приготовление наклеечных смол сводится к подготовке смеси компонентов,
взятых в соответствующих весовых количествах, ее расплавлению, гомогенизации
путем перемешивания, расфасовке сваренной смолы. При варке смол с наполни-
телем последний нагревают отдельно и вводят в состав основных компонентов
после их расплавления.
Из наклеечных смол широко используют следующие.
П и ц е и н — термопластичное вещество. Его получают смешиванием 25 ча-
стей канифоли и 75 частей пчелиного воска. Смесь расплавляют и варят в те-
чение нескольких часов, а затем фильтруют. При нагревании до температуры
343...363 К пицеин размягчается.
Заливочный состав выпускается двух марок: хрупкий и пластичный.
Хрупкий состав состоит из 80% канифоли и 20% церезина, пластичный — из
75% канифоли, 10% озокерита, 5% битума и 10% вазелинового масла. Темпе-
ратура размягчения этих составов 338 К.
Наклеенные смолы используют также для пропитывания ткани (ситец, ба-
тист, бязь, марля) и последующего изготовления из нее прокладок.
Наклеенные воски. Представляют собой сплавы канифоли с воском. Коли-
честв9 канифоли в сплавах различного состава 80...90%, воска 20... 10%. Приме-
няют наклеенные воски для склеивания заготовок между собой и фиксации их
положения на приспособлениях. Вследствие высокой вязкости сплавов толщина
клеящего слоя составляет 0,2...0,3 мм.
Наклеечные парафины. Представляют собой сплавы парафина с воском:
парафин составляет 15. .20%, остальное воск. Сплавы пластичны и текучи, тол-
щина клеящего слоя 0,05.. 0,1 мм. В некоторые сплавы для повышения их твер-
дости вводят канифоль (до 50%).
Сублимационные клеи. Образуются из смеси алкисодержащих фреонов. Име-
ют малую вязкость, что позволяет получать толщину клеящего слоя
0,002...0,003 мм. При этом прочность соединения заготовок с приспособлением
в 2...3 раза выше приклеивания смолой. Клеи отличаются также тем, что при
нагревании они увеличиваются, не оставляя загрязнений на поверхности загото-
вок и приспособления. Недостаток алкисодержащих фреонов — необходимость
нагрева заготовок и приспособления до 333...343 К при их соединении и до
390...403 К при разработке.
Для крепления слитков пластин используют нижеприведенные клеящие ма-
териалы.
Клеящие смеси на основе эпоксидных смол. В их состав
входят отвердители, пластификаторы, наполнители и разбавители. Например,
используют состав, содержащий 36% эпоксидной смолы ЭД-5 или ЭД-6, 53%
карбоната кальция, 2% коллоидного кремнезема и 9% алифатических аминов.
Процесс склеивания происходит при 293 К в течение 4 ч. Клеящая пленка легко
смывается в воде при комнатной температуре.
Глифталевый лак — синтетическая алкидная смола, модифицирован-
ная канифолью и растительным маслом; прозрачная жидкость обладает высокой
клеящей способностью. Температура размягчения 373...383 К.
68
Полистирол — порошок белого и желтого цветов, растворяется в то-
луоле с образованием однородной вязкой жидкости. При температуре 353...358 К
полистирол размягчается, а при 413...433 К плавится. При приклеивании слитка
его обмазывают эмульсионным полистиролом и сушат при 358 К в течение не-
скольких часов.
Клей БФ используют с абразивным микропорошком М20 или М14 в соот-
ношении 30% клея и 70% микропорошка М20 или Ml4 (размер основной фрак-
ции 20...14 или 14...10 мкм соответственно).
Клей акриловый на основе акрилового связующего с добавкой пласти-
фикатора, наполнителя и растворителя. Предназначен для приклеивания поли-
ровальных материалов типа политекс, поливел и им подобных. Этот клей имеет
вязкость 75..105 Ст при 293...296 К, высокие адгезионные свойства (прочность
сцепления материал в исходном состоянии 11210 мН/см, после щелочения в
растворе с рН=12 при 313 К — 753 мН/см), устойчив к воздействию водно-ще-
лочной среды и механических нагрузок. После отработки полировальный мате-
риал снимается без затруднений, остатки клея на полировальнике легко уда-
ляются.
Мастика клеящая на основе термопластичной полимерной смолы,
пластификатора и растворителя. Эта клеящая композиция предназначена для
временного крепления полупроводниковых пластин к металлическому носителю.
Она имеет стабильную вязкость 25±5 Ст в интервале рабочих температур
295...328 К, устойчива к воздействию водно-щелочной среды и механических на-
грузок (предел прочности при сдвиге стальных пластин составляет 0,8 МПа и
снижается до 0,72 МПа после двухчасового щелочения в растворе рН=12 при
температуре 328 К). Высокие адгезионные свойства этой мастики обеспечивают
возможность использования автоматизированного оборудования в процессе поли-
рования; за счет малой и равномерной толщины слоя мастики возможно дости-
жение высокой плоскостности полируемых пластин.
Сплавы металлов с низкой температурой плавления (333...363К). По ряду
технологических свойств имеют преимущества перед смолами: блок может быть
разобран погружением в теплую воду, что исключает надобность в сложных
установках, сокращается расход органических растворителей для промывки за-
готовок, малы потери сплава, возможно его многократное использование. При-
мером таких материалов является сплав Вуда: висмут 50%, свинец 25%, оло-
во 12,5%, кадмий 12,5%. Предел прочности сплава 0,5 Па, относительное удли-
нение 25%.
Гипс. Мелкозернистый порошок, получаемый обжигом природного двувод-
ного (CaSO4-2H2O) гипса до его превращения в полуводный (2CaSO4-H2O).
Раствор гипса в воде по истечении некоторого времени затвердевает и удержи-
вает заготовки действием сил трения и сцепления. Увеличение объема затвердев-
шего раствора характеризуют удельным расширением. Расширение нейтрализуют,
добавляя в гипс цемент (6...8% от массы гипса), который при затвердевании
уменьшается в объеме. С увеличением содержания цемента продолжительность
затвердевания раствора сокращается, но затрудняется разборка блоков и отде-
ление заготовок. Продолжительность рабочего состояния раствора (время от
засыпки гипса в воду до заливки блока) составляет около 3 мин. Время за-
твердевания длится от 4 до 6 ч.
2.3. Резка монокристаллов
Резка с помощью дисков. Режущим инструментом являются металлические
диски из тонкой стали с внутренней или внешней режущей кромкой, армиро-
ванной искусственными или природными алмазами. Используют высококачест-
венную хромоникелевую Сг 16,5...20,2% (по массе) и Ni 6,4...0,15% (по массе)
нержавеющую сталь аустенитного класса, иногда с присадками молибдена, ти-
тана и (или) ванадия. Сталь должна обладать высокими временным сопротив-
лением, пределом текучести и остаточным удлинением после разрыва. На пе-
риферии диска расположены отверстия, служащие для закрепления и равномер-
ного натяжения его на барабан (рис. 2.8). Для предотвращения возможного
разрыва диска при регулировке его натяжения между патроном и кольцами
69
Рис. 2.8. Барабан для креп-
ления отрезного диска с
внутренней режущей ал-
мазной кромкой:
1 — барабан; 2 — буртик; 3 —
опорный выступ; 4 — регулиру-
ющие прокладки; 5 — зажим-
ные кольца; 6 — отрезной диск;
7 — винты
|вииай88бЯ%1
а/
6)
Рис. 2.9. Формы режущей кромки алмазных ди-
сков:
а — непрерывная; б, г — волнообразная; в — прерыви-
стая (вид сбоку); д — однослойная; е — двуслойная;
ж — в виде спички (в разрезе)
г}
устанавливают прокладки из текстолита. Режущая кромка создается на краю
отверстия в центре диска алмазным шлифпорошком, закрепляемым электрохи-
мическим осаждением металла-связки. Для этого используют никель, кобальт,
их сплавы, хром и другие материалы. Существуют различные формы режущей
кромки (рис. 2.9).
Толщина металлической основы диска составляет 0,05...0,12 мм, а режущей
кромки — 0,25...0,3 мм. Выбор толщины диска определяется с учетом потерь
материала при резке, срока службы диска, качества пластины и др.
Поскольку зернистость алмаза отрезных кругов определяет шероховатость
и глубину нарушенного слоя, то ее выбирают с учетом физико-механических
свойств обрабатываемого материала полупроводника. Для резки твердых крем-
ния и фосфида галлия, имеющих микротвердость 11,3 и 9,3 ГПа соответственно,
применяют алмазы зернистостью 60/40 или 50/40. Для резки более мягких гер-
мания и полупроводниковых соединений AHIBV, например арсенида галлия и
индия, микротвердость которых 7,4...7,7 и 3,2 ГПа соответственно, используют
отрезные круги с алмазами зернистостью 40/28 и 28/20.
Для снижения шероховатости поверхности пластин и уменьшения толщи-
ны режущей кромки диска, определяющей ширину реза и потери полупровод-
никового материала при резке, алмазы оптимального размера закрепляют
только на торце режущей кромки. На боковых сторонах ее наносят алмазы
в 2...3 раза меньшего размера. При резке тонких пластин хрупких полупровод-
никовых материалов лучшие результаты дает применение алмазных отрезных
кругов со сплошной режущей кромкой. При резке толстых пластин предпочти-
тельнее использовать алмазные круги с прерывистой (сегментообразной) ре-
жущей кромкой. Она обеспечивает хороший подвод охлаждающей жидкости
к зоне реза и вывод из нее алмаза, «засаливающего» режущий алмазный слой
полупроводниковой пылью.
Важным условием правильной работы алмазного отрезного круга, влияю-
щим на точность размеров и качество поверхности пластины, а также на ши-
рину среза и связанные с ней потери полупроводникового материала, является
70
Рис. 2.10. Схема сил, действующих на монокристалл полупроводника при рез-
ке его диском с внутренней алмазной кромкой (а), и зависимость этих сил
и производительности Q от скорости резания /р (б):
1 — внутренняя режущая кромка диска; 2 — монокристалл
правильное натяжение его на барабан. Оно контролируется электронным при-
бором, работа которого основана на изменении частоты колебаний основного
тона металлического диска, зависящей от окружного напряжения на его режу-
щей кромке. Для алмазных кругов марки 206x83x0,1 (206 — наружный диа-
метр диска, 83 — диаметр его внутреннего отверстия и 0,1—толщина диска, мм),
изготовленных из хромоникелевой стали, оптимальная частота основного тона
при натяжении составляет 1100...1180 Гц, а для кругов марки 422X152X0,1 —
550...620 Гц. Так как в ходе работы алмазного отрезка круга под влиянием сил
резания диск растягивается, то его натяжение проверяют периодически, регу-
лируя не реже одного раза в смену.
Радиальное и осевое биение барабана, на котором натянут алмазный отрез-
ной круг, может привести к раскалыванию отрезаемых пластин и даже к срыву
монокристалла с оправки. Радиальное биение режущей кромки относительно
оси вращения барабана не должно превышать 0,01 мм.
Режимы резки монокристаллов полупроводников устанавливают эмпириче-
ски, исходя из физико-механических свойств материала, диаметра и толщины
пластины, требований к точности ее геометрических размеров и шероховатости
поверхности. В общем случае с учетом сил, возникающих в монокристалле при
резке его алмазным отрезным кругом с внутренней режущей кромкой
(рис. 2.10, а), чем больше окружная скорость резания (частота вращения диска),
тем меньше осевые Ру и тангенциальные Pz усилия (рис. 2.10,6). Следствием
этого является уменьшение местных деформаций диска, что улучшает парал-
лельность плоскостей отрезаемых пластин и качество их поверхностей Однако
при увеличении скорости резания свыше 22 м/с (частота вращения диска около
5000 мин”1) резко возрастают вибрации станка для резки и температура в зоне
резания.
Правильное натяжение алмазного диска и оптимальные режимы резания
(например, для кремния окружная скорость 17...22 м/с, или 4000...5000 мин”1, и
скорость подачи монокристалла не более 30...40 мин-1) должны обеспечивать
следующие параметры отрезаемых пластин:
допуск на толщину &dt зависящий от точности механизма подачи моно-
кристалла, у пластин, отрезанных на прецизионных автоматических станках,
±10 мкм для 90% всех пластин диаметром 76 мм;
71
Рис. 2.11. Погрешности формы полу-
проводниковой пластины:
1 — непараллельность плоскостей (клиновид-
ность); б — неплоскостность (вогнутость);
в — то же (выпуклость); г —- изогнутость
непараллельность (клиновидность)
Ah (рис. 2.11, а), характеризующая мак-
симальную разность толщин пластины и
обусловленная теми же причинами, что
и прогиб, менее 20 мкм для 97% пла-
стин;
прогиб f (рис. 2.11,г), определяе-
мый уменьшением натяжения диска и
износом его режущей кромки, 15...20 мкм
для 90% пластин;
шероховатость, зависящая в основ-
ном от зернистости алмаза и состояния
(износа) режущей кромки алмазного
круга, 2...3 и 0,25...0,50 мкм при зерни-
стости 60/40/?z;
шероховатость, зависящая от состояния
алмазного круга, при резке в оптимальных условиях должна иметь область
трещин, распространяющуюся на глубине не более 20 мкм.
Перед резкой монокристаллы полупроводников приклеивают наклеенной
мастикой торцевой или цилиндрической поверхностью к оправке (рис. 2.12).
Оправку с монокристаллом закрепляют в держателе, расположенном на рабочем
столе станка для резания. Он снабжен поворотной головкой, позволяющей
поворачивать монокристалл в вертикальной и горизонтальной плоскостях на за-
данный угол, что обеспечивает возможность ориентированной резки пластин по
заданной кристаллографической плоскости. Цена деления головки 6'.
Резку монокристаллов полупроводников на пластины осуществляют на ав-
томатических высокоточных станках с программным управлением (рис. 2.13).
глубина нарушенного слоя, как
и
Рис. 2.12. Способы наклеивания монокристалла на оправку торцевой (а) и
цилиндрической (б) поверхностей и крепления оправки в держателе:
1 — монокристалл; 2 — клеящая мастика; 3 — основание оправки; 4 — ее корпус; 5 — тек-
столитовая подкладка; 6 — шкала; 7 — стопорный винт; 8 — стойка держателя; 9 — мик-
рометрический винт
72
Рис. 2.13. Схема управления автоматического станка высокоточного резания
монокристаллов полупроводников на пластины
Станок снабжен автоматической приставкой для снятия отрезанных пла-
стин. При подаче монокристалла на один шаг, равный толщине пластины, ва-
куумная присоска подается к торцу монокристалла и прикрепляется к нему.
После отрезки пластины монокристалл и присоска вместе с пластиной отходят
назад от отрезного круга на шаг подачи, вакуум отключают и пластина сбра-
сывается на направляющие. С них она попадает на конвейер, переносящий ее
на край станины станка и сбрасывающий в емкость с водой.
В процессе изнашивания рабочей поверхности алмазного диска происходит
выкрашивание из связки отдельных непрочно закрепленных алмазных зерен,
округление их вершин, расщепление и частичное скалывание отдельных зерен по
плоскости спайности, а также увеличение механической установки диска.
Стойкость алмазных дисков связана с основными технологическими фак-
торами соотношением G = GcVa/Sb, где V — скорость резания; S — скорость по-
дачи диска; Gg — коэффициент, характеризующий материал; а, b — постоянные
величины.
Натяжение алмазных дисков также определяет их стойкость. Недостаточ-
ное натяжение приводит к искажению формы отрезаемых пластин, их поломке^
отклонению от плоскости ориентации пластин и т. п. Чрезмерное натяжение
диска увеличивает его износ.
Алмазный отрезной круг с внутренней режущей кромкой в качестве инст-
румента на операции разрезки монокристалла должен удовлетворять ряду про-
тиворечивых требований. Так, для обеспечения высокой осевой жесткости круга
требуется увеличивать толщину корпуса круга и повышать степень натяжения;
73
Рис. 2.14. Перфорированный алмазный
отрезной круг
для снижения ширины пропила толщи-
ну основы приходится снижать, а для
предотвращения неупругих деформаций
материала корпуса круга — ограничи-
вать степень натяжения. Однако вся-
кое изменение одних параметров при-
водит к однозначному изменению дру-
гих. Практически в производственных
условиях имеется возможность эффек-
тивного изменения только одного пара-
метра — степени натяжения.
Наиболее распространенным спосо-
бом натяжения отрезного круга в на-
стоящее время является способ, осно-
ванный на вдавливании корпуса круга
в кольцевую канавку с помощью рези-
новой манжеты, в которую под давлением закачивается масло. Процесс натя-
жения сопровождается неупругими деформациями корпуса круга в зоне коль-
цевой канавки (об этом можно судить по выпуклости на снятом со станка от-
резном круге). Так как материал корпуса круга в процессе прокатки приобре-
тает анизотропию механических характеристик, то величина пластических дефор-
маций зависит от направления прокатки. Это вызывает неравномерное натяже-
ние круга и искажение его плоскости.
Величина предварительного натяжения отрезного круга обычно ограничена
окружными напряжениями в корпусе отрезного круга в районе режущей кром-
ки, которые приближаются к пределу прочности материала. Высокие значения
предварительного натяжения приводят к тому, что становится заметной релак-
сация напряжений в корпусе круга и в процессе работы отрезной круг прихо-
дится «подтягивать».
В рассмотренной конструкции отрезного круга неупругие деформации кор-
пуса имеют место в двух кольцеобразных зонах — возле режущей кромки и
возле крепежных отверстий. Осевая жесткость инструмента обусловлена окруж-
ными напряжениями (для этого круг и натягивают), поэтому неупругие дефор-
мации вызывают снижение жесткости инструмента. Внешне это проявляется
в увеличении неплоскостности отрезаемых пластин. Разработана конструкция
алмазного отрезного круга, позволяющая управлять напряженно-деформирован-
ным состоянием инструмента (рис. 2.14).
Отрезной круг имеет внутреннее кольцо 7, на котором расположена режу-
щая кромка 2, и наружное кольцо 5, на котором имеются отверстия 4 для
крепления круга на режущей головке станка. Эта же часть служит для натяже-
ния отрезного круга. Внутреннее и внешнее кольца соединены перемычками 5,
которые представляют собой участки корпуса отрезного круга, расположенные
между криволинейными отверстиями. Оси перемычек прямолинейны и образуют
сетку из взаимопересекающихся прямых линий, причем угол а между осями
перемычек и радиусом круга, проведенным через точку соединения перемычки
с внутренним кольцом, может находиться в пределах от 30 до 90°.
Расположение перемычек под углом к радиусу дает возможность выполнить
отверстия между ними вытянутой в окружном направлении формы, что снижает
коэффициент концентрации напряжений и обеспечивает прочность внутреннего
кольца при большей степени натяжения, чем в случае круглых или вытянутых
в радиальном направлении отверстий.
Для растяжения весьма узкого внутреннего кольца, как это следует из
решения задачи Ляме, требуется сравнительно небольшая растягивающая ра-
диальная распределенная нагрузка р; p=Qfiota(l--a2/b2), где ota — напряжение
по окружности радиусом а; а, b—внутренний и наружный радиусы кольца.
При малых значениях угла а в местах соединения перемычек с внутренним
кольцом возникает значительная концентрация напряжений, что приводит к раз-
74
рушению внутреннего кольца при малых степенях натяжения отрезного круга и
низких напряжениях в перемычках. Из-за этого отрезной круг имеет низкую
жесткость, а отрезанные таким кругом пластины имеют неплоскую поверхность.
Увеличением угла а растягивающие напряжения в перемычках можно до-
вести до уровня напряжения вблизи режущей кромки. Оптимальное значение
этого угла зависит от размеров внутреннего и наружного колец, от числа пе-
ремычек и их ширины. При условии равнонапряженного состояния режущей
кромки и перемычек угол а рассчитывается по формуле a=arccos[n(b2—а2)/Ься],
где с — ширина перемычки; п — число перемычек.
Определение оптимального угла а по приведенной выше формуле позволяет
также получить максимальное упругое удлинение перемычек, что дает возмож-
ность компенсировать неупругие деформации внутреннего кольца и тем самым
предотвратить потерю устойчивости режущей кромки.
При малой ширине внутреннего кольца и значении угла а, близком к 90°,
удается получить минимальную радиальную жесткость отрезного круга при
сохранении достаточно высокой осевой жесткости. Такая конфигурация отрезно-
го круга перспективна для резки монокристаллических материалов с низкой
механической прочностью.
При увеличении угла а свыше 90° натянуть отрезной круг не удается, так
как деформация растяжения не передается на внутреннее кольцо с режущей
кромкой.
Максимальная частота вращения ограничена вибрацией алмазного диска,
температурой зоны резания и сроком его службы. Для сохранения стойкости
круга и качества отрезаемых пластин следует добиваться, чтобы радиальное
биение режущей кромки не превышало 0,005...0,01 мм.
Существует область оптимальных значений радиального биения режущей
кромки в пределах 0,05...0,08 мм, когда обеспечивается высокая стойкость кру-
гов при хорошем качестве отрезаемых пластин. При малых значениях радиаль-
ного биения режущей кромки стойкость кругов невелика. На разрезаемый ма-
териал со стороны единичных алмазных зерен практически не действует нор-
мальная нагрузка, способствующая образованию и распространению микротре-
щин, ослабляющих разрезаемый материал и облегчающий выкалывание отдель-
ных частиц. Значительные же тангенциальные нагрузки, действующие со сторо-
ны монолитного материала на единичные зерна, приводят к интенсивному раз-
рушению и вырыву последних из связи. Увеличение радиального биения режу-
щей кромки более 0,01 мм приводит к тому, что в круге используется очень
малая часть режущей кромки. В результате приложения к работающим участ-
кам круга повышенных циклических нагрузок происходит ослабление, пластиче-
ское течение локальных участков корпуса круга, и он быстро выходит из строя.
Положительно применение интенсифицирующих колебаний различной часто-
ты при механической обработке твердых тел. Наложение колебаний может про-
изводиться на режущий инструмент, на обрабатываемую деталь и на смазочно-
охлаждающую жидкость (СОЖ), подаваемую в зону резания. Наложение коле-
баний позволяет повысить производительность и качество обработки, увеличить
стойкость инструмента.
Величина нарушенного слоя, остаточные напряжения, микронеровности,
структурные изменения поверхности и износоустойчивость режущей кромки ал-
мазного диска в значительной степени зависят от температурного поля в зоне
резки. Количество тепла, выделяемое в процессе резки, Q—pVA, где р— тан-
генциальная составляющая силы резки; V — линейная скорость внутренней ре-
жущей кромки алмазного диска; Л—тепловой эквивалент работы.
На рис. 2.15 приведены типичные графики распределения температуры в
слитке полупроводникового материала при резке.
Схема резки слитков полупроводникового материала с помощью диска с
армированной алмазами внутренней частью диска показана на рис. 2.16.
При резке пластин используют набор алмазных дисков с внешней режущей
кромкой общей длиной 150...700 мм. Натяжение, необходимое для придания
жесткости тонкому диску с круглым вырезом в центре, создается давлением
масла и механическим зажимом винтами (рис. 2.17). Жесткость диска и диаметр
слитка оказывают существенное влияние на изгиб отрезаемой пластины.
75
Рис. 2.15. Распределение тем-
пературы в слитке при резке
Рис. 2.16. Схема резки слитка
на пластины алмазным диском
с внутренней режущей кром-
кой:
1 — металлический диск; 2 — ал-
мазная кромка; 3 — слиток; 4 —
держатель слитка
Q) 61
Рис. 2.18. Многолезвийная пила:
1 — набор лезвий; 2 — слиток кремния
Рис. 2.17. Методы создания
натяжения диска:
а — за счет масляного давле-
ния; б — за счет механическо-
го зажима винтами: 1 — О-об-
разное кольцо; 2 — диск; 3 —
подача масла
Для резки используют многолезвий-
ные пилы (рис. 2.18), однако создать
одинаковое натяжение лезвий затрудни-
тельно. Это приводит к ухудшению па-
раллельности пластин, изменению их тол-
щины.
Резка абразивом с помощью прово-
локи. Сходна с резкой многослойной пи-
лой и осуществляется на станках
(рис. 2.19,а), в которых скорость пере-
мотки проволоки мала. Проволока на-
матывается на ролики механизма /, со-
вершающего возвратно-поступательное
движение, обеспечиваемое шатуном 2, Проволока перематывается через механизм
с катушки 3 на катушку 5 посредством тормозного диска 4 и механизма пода-
чи 6. При резке на проволоку непрерывно подается абразивная суспензия. Ско-
рость резки определяется свойствами обрабатываемого материала, скоростью
движения проволоки (либо кристалла), ее диаметром, количеством и величиной
зерен абразива.
Резку производят проволокой из нержавеющей или струнной стали диамет-
ром не менее 0,08...0,1 мм, покрытой тонким слоем алмазной крошки с разме-
рами зерна 1...20 мкм. Связкой служит эпоксидная смола. Для проволоки из
магнитного материал в качестве абразивного порошка используется феррит.
Резку материалов можно осуществлять также проволокой, движущейся с
большой скоростью (рис. 2.19,6). Проволока натянута между двумя роликами
с кольцевыми пазами, задающими шаг и тем самым необходимый размер
76
Рис. 2.19. Кинематические схемы станков проволочной резки:
а — с малой скоростью перемотки проволоки; б — с большой скоростью перемотки про-
волоки
кристаллов. Здесь отсутствует шатунный механизм. Резка происходит за счет
быстрой перемотки проволоки с ролика 1 на ролик 2, проходя через слиток
полупроводникового материала 3 и систему роликов 4. С помощью столика 5
и груза 6 слиток прижимается с определенным давлением к режущей проволоке.
Ультразвуковая (УЗ) резка. При УЗ-резке в область резания непрерывно
подается абразивная суспензия. Под действием УЗ-колебаний под рабочей по-
верхностью режущего инструмента зерна микропорошка внедряются в обраба-
тываемый материал и разрушают его. Для УЗ-резки используют станки различ-
ных типов, размеров, мощности и назначения: 4772А, 4773, 4773А, МЭ-34, С-15.
Режущие инструменты для УЗ-резки изготовляют из малоуглеродистых не-
термообработанных марок стали СТ20, СТ35. Абразивом служит карбид бора,
алмазный порошок, электрокорунд, карбид кремния и др. Концентрация абра-
зивного порошка составляет ЗО...4О°/о по массе к жидкой части суспензии.
Полученные после резки монокристаллов пластины полупроводников на-
правляют на операцию снятия фаски или скругления краев. Фаска на пластине
уменьшает опасность появления сколов и трещин на ее кромке при транспорти-
ровке. Сколы и трещины возникают у 80% пластин большого диаметра после
100 перекладок из одной кассеты в другую. Пластины с фасками можно пере-
кладывать несколько тысяч раз.
Фаску снимают методом шлифования профильным алмазным кругом зер-
нистостью 30/40. Пластину закрепляют на шпинделе, снабженном вакуумным
захватом. Частота вращения шпинделя 15...20 мин-1, а алмазного круга диа-
метром 50 мм 6000...8000 мин-1 (скорость резания 22 м/с). Глубина нарушен-
ного слоя после такой обработки составляет сколо 5,5 мкм. Его удаляют хи-
мическим травлением.
Радиус фасок на рабочей и обратной сторонах пластины различен
(рис. 2.20), что обусловлено спецификой последующих процессов фотолитогра-
фии и эпитаксии. Ширина обрабатываемой зоны кромки около 500 мкм, а
средний угол наклона 10... 15°. Толщина необработанной краевой зоны пластины
после снятия фаски должна составлять около 20% исходной толщины, что не-
Рис. 2.20. Профиль закругления кромки
пластины полупроводника:
а, Ь — нижний радиус рабочей и нерабочей сто-
рон пластины соответственно (а=0,05...0,10 мм,
6=0,1—-0,2 мм); с — ширина краевой зоны (с=»
=0,5 мм); а — средний угол наклона закруглен-
ной рабочей стороны пластины (а=10...15°);
h — толщина пластины; Д6 — необработанная
краевая зона, Д6^0,26; S — съем материала с
поверхности пластины при полировании (3=
=25...35 мкм)
72
обходимо для предотвращения образования острой кромки в последующих про-
цессах травления, шлифования и полирования. Контроль фасок обработанной
пластины осуществляют сравнением ее профиля с эталонным на экране лазер-
ного проектора.
2.4. Материалы для шлифования и полирования
монокристаллических материалов
После резки слитков на пластины для получения плоскопараллельности
сторон пластин, точного соответствия заданным размерам и уменьшения глуби-
ны нарушенного слоя проводят шлифование пластин. Для шлифования приме-
няют абразивные материалы, алмазные порошки, полировочные пасты.
Абразивные материалы. Абразив представляет собой смесь зерен неправиль-
ной формы разного размера. Зерном абразива называют отдельный кристалл,
сростки кристаллов или их осколки при отношении их наибольшего размера к
наименьшему не более 3:1.
Абразивные материалы характеризуются твердостью, хрупкостью, абразив-
ной способностью, механической и химической стойкостью.
Твердость — способность материала сопротивляться вдавливанию в него дру-
гого материала. Твердость абразивных материалов характеризуется по минера-
логической шкале Мооса 10 классами, включающей в качестве эталонов:
тальк (1), гипс (2), кальцит (3), флюорит (4), апатит (5), ортоклаз (6),
кварц (7), топаз (8), корунд (9), алмаз (10).
Абразивная способность характеризуется количеством материала, сошлифо-
ванного за единицу времени.
Механическая стойкость — способность абразивного материала выдерживать
механические нагрузки, не разрушаясь при резке, шлифовании и полировании.
Она характеризуется пределом прочности при сжатии, который определяют, раз-
давливая зерно абразивного материала и фиксируя нагрузку в момент его раз-
рушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении темпера-
туры снижается.
Химическая стойкость — способность абразивных материалов не изменять
своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, а также в воде и ор-
ганических растворителях.
Зерновой состав и зернистость абразивов. Все абразивы в зависимости от
размера зерен разделены на группы, а внутри каждой группы по этому же
признаку на номера зернистости. Осуществить классификацию так, чтобы по-
рошок каждого номера зернистости состоял из зерен одинакового размера,
практически невозможно. Содержание его составляют несколько фракций
(групп зерен, размеры которых ограничены узким пределом): основная, приня-
тая за характеризующую данный номер зернистости, и побочные, которые круп-
нее и мельче основной. Количественное содержание фракций определяет зерно-
вой состав абразива.
Абразивные материалы различаются размером (крупностью) зерен, имеют
номера 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 17, 12, 10, 8, 6, 5,
4, 3, М63, М50, М40, М28, М20, Ml4, М10, М7 и М5 и подразделяются на че-
тыре группы: шлифзерно (от 200 до 16), шлифпорошки (от 12 до 3), микро-
порошки (от М63 до М14) и тонкие микропорошки (от М10 до М5).
Корунд, электрокорунд и другие абразивы, кроме алмаза и нитрида бора,
в зависимости от способа классификации условно делят на два класса. К пер-
вому относят продукты, получаемые рассеиванием на ситах, ко второму — гид-
роклассификацией. Продукты рассеивания делят на две группы — шлифзерно и
шлифпорошки, а продукты гидроклассификации — ни микропорошки и тонкие
микропорошки. Каждая из этих групп делится на порошки разной зернистости,
которым присвоены номера, соответствующие размеру зерен основной фракции.
Маркировка абразивов групп шлифзерно и шлифпорошок соответствует раз-
меру (в сотых долях миллиметра) ячейки того сита, на котором задерживаются
зерна основной фракции абразива данного номера зернистости. Классификацию
абразивных материалов по номерам зернистости проводят рассеиванием на спе-
циальных ситах, номер которых характеризует номер зерна. Маркировка микро-
78
порошков и тонких микропорошков обозначает размер (мкм) наибольших зерен
основной фракции. Буква М определяет принадлежность порошков к двум по-
следним группам.
Соотношение номера зернистости и размера зерна абразива приведено
в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Соотношение номера
зернистости и размера зерна абразива
Номер зернистости Размер зерна, мкм
М28 28...20
М20 20... 14
М14 14...10
М10 10...7
М7 7...5
М5 5...3
Абразивные порошки одной и той же зернистости выпускают с различным
содержанием основной фракции. В зависимости от этого в обозначение порошка
после номера вводят одну из букв: В, П, Н или Д. Буква В характеризует
порошок с наибольшим содержанием основной фракции, буква Д — с наимень-
шим (табл. 2.3). В зерновой состав порошков кроме основной входят побочные
фракции: предельная крупная, комплексная и мелкая. Зерновой состав микро-
порошка и тонких микропорошков с наибольшим содержанием основной фрак-
ции приведен в табл. 2.4.
Таблица 2.3. Содержание основной фракции в абразивных материалах
Содержание основной фракции, %, для зернистостей
Индекс абразивного материала 200...32 25...16 12...8 6...4 3 М63...М28 М20...М14 М10...М5
В ____ 60 60 55
п 55 55 55 55 — 50 50 45
н 45 43 45 40 40 45 40 40
д 41 39 41 36 36 42 37 37
В зависимости от содержания каждой фракции роль их в процессе шлифо-
вания различна:
мелкая, даже в значительных количествах (до 60...65% по массе), не ока-
зывает влияния ни на интенсивность абразивного износа, ни на шероховатость
шлифуемой поверхности;
основная, принятая за характеризующую абразив данной зернистости, опре-
деляет интенсивность износа. Ее количество, необходимое и достаточное для
стабильности процесса, составляет 30...40% (по числу зерен);
крупная, минимальное содержание которой промышленные способы класси-
фикации позволяют довести до 5...8% (по числу зерен), определяет шерохова-
тость шлифуемой поверхности;
предельная, зерна которой имеют наибольший размер, будет определять ше-
роховатость поверхности при содержании в количестве 0,5...0,6 % (по числу зерен).
Промышленные способы классификации позволяют довести содержание этой
фракции до 0,05...0,2%. Присутствуя в таком количестве, она не увеличивает ше-
роховатости поверхности.
Из материалов наиболее используемые электрокорунд, карбид кремния,
карбид бора и др.
79
Таблица 2.4. Зерновой состав микропорошков и тонких микропорошков
с содержанием основной фракции не менее 6О...65%
Фракция
Зерни- стость предельная предельная плюс крупная основная комплексная мелкая
Размер зерен, мкм Массовая доля, % Sx "2.S « ф м О. и S Массовая доля, % Размер зерен, мкм Массовая доля, % Размер зерен, мкм Массовая доля, % я П Q.S л 57 м О. со s Массовая доля, %
М63-В 100...80 100...63 63...50 63...40 40 М50-В 80...63 80...50 50...40 50...28 28 М40-В 63...50 63...40 12 40...28 40..20 85 20 3 М28-В 50...40 50...28 28..20 60 28...14 14 М20-В 40...28 0,5 40...20 15 20...14 20...10 80 10 М14-В 28...20 28...14 14...10 14...7 7 5 М10-В 20...14 20..10 10...7 10...5 75 5 М7-В 14...10 14...7 20 7...5 55 7...3 3 М5-В 10...7 10...5 5...3 5...3 80 — —
Электрокорунд — кристаллическая окись алюминия. Микротвердость
электрокорунда лежит в пределах от (1,8...2,4) • Ю10 Н/м2. Плотность 4 г/см3.
Электрокорунд размягчается при температуре 2023 К, а плавится при 2323 К.
Модуль упругости 7,6-1011 Н/м2. Твердость 9 по шкале Мооса. Электрокорунд
выпускается трех сортов: белый (содержит от 98,5 до 99,5% А12О3), нормаль-
ный (содержит от 91 до 98% AJ2O3) и черный (содержит от 65 до 75% А12О3).
Карбид кремния (SiC)—химическое соединение кремния с углеродом.
Хрупкий материал. Плотность карбида кремния 3,16...3,39 г/см3. Твердость 9,2 по
шкале Мооса, а микротвердость 3,4 -1010 Н/м2. Предел прочности при сжатии
2,5 109 Н/м2. Абразивная способность почти в два раза выше электрокорунда.
Чем меньше размеры его зерен, тем больше их прочность. Выпускается двух
разновидностей: зеленый и черный. Черный карбид кремния отличается от зе-
леного содержанием и является более хрупким и менее твердым материалом.
Карбид бора (В4С) — тугоплавкое соединение. По твердости уступает
лишь алмазу. Однако он чрезвычайно хрупок. Плотность 2,5 г/см3. Предел
прочности при сжатии 1,9-109 Н/см2. Термостойкость 773...873 К- Температура
разложения 2623 К. Промышленность выпускает серию групп карбида бора зер-
нистостью от № 16 до № 28 с содержанием 94% основного материала.
Зерновой состав микропорошков и тонких микропорошков определяют ме-
тодом микроскопического анализа в соответствии с ГОСТ 3647—80. Качество
абразивных порошков оценивают по их шлифующей способности и шероховато-
сти обработанной поверхности. Шлифующую способность характеризуют массой
материала сошлифованного образца стекла в стандартных условиях испытания.
Ее относительное значение для некоторых абразивов приведено ниже.
Шлифующий абразив
Алмаз ................
Кубический нитрил бора
Карбид бора
Карбид кремния
Монокорунд
Электрокорунд .
Наждак
Кварцевый песок
Относительная
шлифующая спо-
собность
1,0
0,58...0,60
0,50...0,60
0,25...0,45
0,15...0,25
0,14...0,16
0,03...0,08
0,02...0,03
80
Рис. 2.21. Схема классифицирующей установки
Классификация микропорошков и тонких микропорошков. Разделение по-
рошков по размерам зерен основано на различной скорости оседания в воде.
Промышленная установка (рис. 2.21) представляет собой ряд каскадно распо-
ложенных классификаторов, которые имеют форму конуса с цилиндром в ос-
новании. Площадь сечения цилиндрической части классификаторов последова-
тельно увеличивается. Абразивная пульпа, непрерывно поступающая в дозатор /,
самотеком проходит последовательно через все классификаторы. В каждом се-
чении конической части классификаторов во взвешенном состоянии находятся
зерна, скорость оседания которых равна соответствующей этому уровню вер-
тикальной составляющей скорости восходящего потока. В цилиндрической части
скорость потока постоянна, но неодинакова по абсолютной величине в каждом
классификаторе. В классификаторе 2 она равна скорости оседания зерен основ-
ной фракции наиболее крупного из выделяемых размеров зернистости. Зерна
этой и более мелких фракций выносятся водой и поступают в следующий клас-
сификатор 3. Здесь скорость проходящего потока меньше. Зерна основной
фракции остаются как определенный номер зернистости, а имеющие меньший
размер уходят в классификатор 4 и т. д. Одновременно работают две одина-
ковые, параллельно соединенные линии классификаторов. В то время как в
одной линии ведут разделение порошков, в другую в это время, перекрыв по-
ступление пульпы, подают чистую воду. Происходит очистка порошков от по-
бочных фракций. Управление процессом полуавтоматическое. Дистанционно пе-
реключается дозированная подача суспензии с одного каскада на другой, ав-
томатически разгружаются классифицированные порошки.
Алмазные шлиф-, микропорошки и пасты. Алмазные порошки представляют
собой смеси алмазных зерен, которые имеют правильную кристаллическую
форму. Совокупность зерен определенного размера, преобладающих по количе-
ству в составе данного порошка, называют основной фракцией. Кроме основ-
ной фракции в состав порошков входят побочные — крупные и мелкая. Размер
зерен в каждой фракции определяется размерами сторон ячеек двух контроль-
ных сит, из которых через верхнее сито зерна должны проходить, а на нижнем
задерживаться.
Зернистость алмазных шлифпорошков определяется по основной фракции и
обозначается дробью, у которой числитель соответствует наибольшему, а зна-
менатель— наименьшему размерам зерен основной фракции (табл. 2.5).
Шлифпорошки природного и синтетического алмаза разделены на две груп-
пы: шлифпорошки и микропорошки. Шлифпорошки природного алмаза имеют
одну марку — А, синтетического — пять: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС (АС — ал-
маз синтетический; О, Р, В, К, С — индексы типов порошков, различающихся
физико-механическими свойствами: В — высокопрочный, Р —- прочный, О — обыч-
ный и т. д.).
6 Заказ № 1270 81
Таблица 2.5. Соотношение зернистости и размера зерен
алмазных шлифпорошков
Номер зернистости Размер зерна, мкм Номер зернистости Размер зерна, мкм
AM 20/14 20..14 AM 5/3 5...3
AM 14/10 14...10 AM 3/2 3...2
AM 10/7 10...7 AM 2/1 2...1
AM 7/5 7...5 AM 1/0 1..0
Рис. 2.22. Зависимость прочности зерен шлиф-
порошков синтетических алмазов от марки
и зернистости
Алмазные шлифпорошки из синтетических
алмазов выпускаются пяти марок:
АСО имеет зерна с наиболее развитой ре-
жущей поверхностью и повышенной хрупко-
стью;
АСР имеет зерна с меньшей хрупкостью
и большей прочностью по сравнению с порош-
ками марки АСО;
АСВ и АСК обладают еще более высокой
прочностью зерен по сравнению с порошками
АСО и АСР;
АСС обладает наибольшей прочностью по
сравнению с порошками всех марок.
Шлифпорошок каждой марки путем рас-
сеивания исходного продукта через сита с по-
следовательно уменьшающимся размером ячей-
ки разделен на номера зернистости. В поро-
шок каждой зернистости независимо от марки алмаза входят три фракции:
крупная, основная, мелкая. Их содержание, характеризуемое массой, регла-
ментирует ГОСТ 9206—80. Размер зерен каждой фракции определяется раз-
мером (мкм) сторон в свету ячеек двух контрольных сит. Через верхнее
сито зерна должны проходить, на нижнем — задерживаться. Зернистость уста-
новлена по основной фракции. Ее обозначают простой неправильной дробью,
у которой числитель — размер (мкм) стороны ячейки верхнего сита, знамена-
тель— размер (мкм) стороны ячейки нижнего сита. Зерновой состав шлифпо-
рошков контролируют методом ситового анализа — просеиванием навески по-
рошка данной зернистости через набор контрольных сит. Зерна, оставшиеся на
каждом сите, взвешивают и определяют их содержание, выраженное в процен-
тах. Шлифпорошки обладают зернистостью двух диапазонов: широкого и уз-
кого. Качество порошка характеризуют прочностью зерен. Гарантированные
нормы прочности зерен в зависимости от марки и зернистости порошков при-
ведены на рис. 2.22.
К широкому диапазону зернистости относятся шлифпорошки: А400/260,
А250/160, А160/100, А100/63, А63/40, АС0160/100, АСОЮО/63, АСО63/40,
АСР160/100, АСР100/63, АСВ400/250, АСВ250/100, АСВ160/100, АСВ100/63.
Узкий диапазон зернистости охватывает большую группу шлифпорошков:
А630/500, А500/400, А400/315, А315/250, А250/200, А200/160, А160/102,
А100/80, А80/63, А63/50, А50/40, АСО от 160/125 до 50/40, АСР от 250/200
до 63/50, АСВ от 400/315 до 80/63, АСК от 500/400 до 100/80, АСС от 630/500
до 125/100.
Марка алмазного шлифпорошка характеризуется определенной массой зерен
каждой фракции. Для широкого и узкого диапазонов зернистости объем зерен
82
крупной фракции не превышает 15%, основной фракции — не ниже 70%, а мел-
кой — не более 3 % •
Прочность на сжатие алмазных шлифпорошков зависит от их зернистости
и возрастает с увеличением алмазных зерен. Так, для марки алмазного шлиф-
порошка АСО эта величина изменяется от 1,5-104 до 2,2-104 Н/м2, для АСР —
от 2,5-104 до 7-Ю4 Н/м2, для АСВ — от 4,3-104 до 1,1 «105 Н/м2, для АСК —
от 9-Ю4 до 2,7-105 Н/м2, для ACC —2-Ю4 до 6,6-105 Н/м2
Алмазные микропорошки имеют меньшие размеры зерен по
сравнению с алмазными шлифпорошками. Синтетические алмазные микропорош-
ки выпускаются марок АСМ и АСН, а природные — AM и АН. Алмазные мик-
ропорошки имеют одиннадцать групп зернистости: 60/40, 40/28, 28/20, 20/14,
14/10, 10/7, 7/5, 5/3, 3/2, 2/1 и 1/10. Зерновой состав, алмазных микропорош-
ков приведен в табл. 2.6. Абразивная способность алмазных микропорошков
AM и АСМ изменяется от 3,3 до 1,2 с уменьшением зернистости микропорошка
от 60/40 до 5/3. Абразивная способность микропорошков АН и АСН несколько
выше и изменяется от 4,3 для зернистости 60/40 до 1,9 для зернистости 5/3.
Таблица 2.6. Зернистость и зерновой состав алмазных
микропорошков АСМ, АСН, AM и АН
Зернистость Размер зерен, мкм, во фракциях
крупной не более 5 % основной, не ме- нее 65 % мелкой, не более 30 %
60/40 80...60 60...40 40...20
40/28 60...40 40...28 28...14
28/20 40...28 28...20 20...10
20/14 28...20 20...14 14...7
14/10 20...14 14...10 10...5
10/7 14...10 10...7 7..3
7/5 10...7 7...5 5..2
5/3 7...5 5...3 3...1
3/2 5...3 3...2 До 2
2/1 3...2 2...1 До 1
1/0 2...1 >95% —
Примечание. Проценты во фракциях взяты от общей массы порошка.
Характеристикой качества порошков АСМ и АСН наряду с зерновым соста-
вом является гарантированная норма шлифующей способности, которая задается
режимом синтеза и режимом технологической обработки порошка. У порошков
марки АСН она на 30...40% выше по сравнению с АСМ^ Шлифующая способ-
ность порошков AM и АН зависит от месторождения алмаза. У порошков мар-
ки AM она ниже, чем у АН. На номера зернистости микропорошки разделяют
центрифугированием, осаждением в столбце жидкости и другими способами.
Числитель и знаменатель дроби, обозначающий зернистость порошка, ха-
рактеризуют размер (мкм) соответственно наибольшего и наименьшего зерен
основной фракции. Зерновой состав микропорошков определяют методом мик-
роскопического анализа. Проводят измерения на 500 шт. зерен в одном пре-
парате.
Порошок марки АСМ с размером зерен мельче 0,7 мкм служит исходным
сырьем для изготовления субмикропорошков, используемых при обработке по-
лупроводниковых кристаллов, кварца, рубина и других оптических материалов.
На суперцентрифугах получают субмикропорошки, которые классифицируются:
АСМ 0,7/0; АСМ 0,5/0; АСМ 0,3/0 (табл. 2.7). Качество этих порошков харак-
теризуют шероховатостью поверхности образцов из кремния и интенсивностью
его износа (мкм/мин).
Алмазные пасты состоят из алмазных микропорошков различной зер-
нистости и высокомолекулярных поверхностно-активных веществ. Для приготов-
6* 83
Таблица 2.7. Зерновой состав субмикропорошков
из синтетических алмазов
Зернистость Фракция
крупная основная мелкая
Размер зерен, мкм Число зерен, мкм Размер зерен, мкм Число зерен, мкм Размер зерен, мкм Число зерен, мкм
0,7/0 1..Д7 0,7...0,3 50 До 0,3 49
0,5/0 0,7...0,5 0,5...0,1 60 До 0,1 39
0,3/0 0,5..0,3 — До 0,3 99 — —
ления паст используют алмазные микропорошки с зернистостью от АМС-40 до
АМС-1. Алмазные пасты выпускаются с высокой (В), средней (С), низкой (Н)
и пониженной (П) концентрациями алмазного микропорошка. По консистенции
пасты разделяют на твердую (Т), густую (Г), мазеобразную (М), и жид-
кую (Ж), смазываемые водой (В), органическими растворителями (О), а также
водой и органическими растворителями (ВО). Алмазная паста с зернистостью
микропорошка АМС-1 высокой концентрации и жидкой консистенции обозна-
чается АМС1-В-Ж-
В качестве органических растворителей используются керосин, бензин, мало-
вязкие минеральные масла, спирт и др. Универсальные пасты (ВО) пригодны
для одновременной обработки металлических и неметаллических поверхностей
изделий. Алмазные пасты выпускают расфасованными в трубы или шприцы
по 5; 10; 20; 40; 80 г. В завимости от зернистости алмазного порошка пасты
окрашивают в разные цвета (табл. 2.8).
Алмазные пасты из синтетических алмазов, как и пасты из натуральных
алмазов, нашли применение для доводочных операций при изготовлении особо
точных деталей с высокими требованиями к чистоте поверхности. Для грубой
предварительной доводки рекомендуются пасты с зернистостью от 60/40 до
40/28, для предварительной доводки — от 28/20 до 14/10, для точной доводки
и предварительного* полирования — от 10/7 до 5/3 и для окончательной довод-
ки — от 3/2 до 1/10. Чистота обработки поверхности при этом соответственно
достигает классов 8—9, 9—11, 11—12, 12—14.
Таблица 2.8. Характеристики алмазных паст
Зернистость алмазного порошка в пасте Концентрация алмазного порошка в пасте, % Цвет пасты и этикетки
нормальная повышенная
60/40 10 20 Красный
40/28 7 14
28/20 7 14 Г олубой
20/14 5 10
14/10 5 10
10/7 3 6 Зеленый
7/5 3 6
5/3 2 4
3/2 2 4 Желтый
2/1 1 2
1/0 1 2
84
Полировочные материалы. Полировочная паста — масса зеленого
цвета, содержит 62...65 % окиси хрома, 10.. 12 % нефтяного парафина, 35...38%
олеиновой кислоты, стеарина, серы, натриевого и калиевого хромпика. Приме-
няется для полирования изделий на хлопчатобумажных, фетровых и кожаных
кругах — полировальниках.
Окись хрома (Сг2О3)—порошок зеленого цвета. Изготовляют восста-
новлением бихромата калия серой либо термическим разложением бихромата
аммония. Первым способом получают порошок с размером зерен 0,8... 1,2 мкм,
вторым — 0,3...0,4 мкм. Твердость по минералогической шкале близка к 9,0. Вы-
пускается трех марок: ОХМ-1 (металлургическая), ОХП-1 (пигментная) и ОХЧ-1
(часовая) с содержанием чистого продукта в пересчете на проценты не менее
98...99% и влаги не более 0,15%. Применяют при полировании деталей из кри-
сталлических материалов с малой твердостью.
Крокус (Fe2O3)—безводная окись железа, тождественная природному
гематиту a-модификации. Получают осаждением солей железа (сульфатного,
углекислого, щавелекислого) из раствора и их последующим прокаливанием при
температуре 973...1073 К. Зерна имеют округлую форму; средний их размер
0,6.. 1,0 мкм. Твердость по минералогической шкале 5,0...6,0. Применение крокуса
ограничено низкой по сравнению с другими порошками полирующей способно-
стью. Используют крокус при полировании деталей из стекла, чистота поверх-
ности которых должна соответствовать первому классу по ГОСТ 11141—84.
Полирит — порошок коричневого цвета, содержит 97% окислов редко-
земельных металлов (в том числе до 45% окиси церия), применяется для по-
лирования стекла и полупроводниковых материалов, полирующие свойства опре-
деляет окись церия СеО2. Зерна имеют форму удлиненных пластинок размером
до 5 мкм; они легко дробятся, образуя остроугольные осколки. Твердость по
минералогической шкале 6,0...7,0. Полирит — основной полирующий абразив, ис-
пользуемый при изготовлении деталей из стекла.
А э р о с и л представляет собой чистый диоксид кремния, рыхлый голубо-
вато-белый порошок. Молекулярная масса 60,08. Выпускается трех марок: А-175,
А-300 и А-380, в которых средний размер частиц соответственно равен от 10
до 40, от 5 до 20, от 5 до 15 нм.
Полировочные составы — смеси аэросила, глицерина, диэтилен-
диамина, этиленгликоля и деионизованной воды:
I состав состоит из 1000 мл деионизованной воды, 120 г аэросила-380,
50...70 мл глицерина и 100...200 мл водного раствора этилендиамина;
II состав состоит из 1000 мл деионизованной воды, 100...150 г аэросила-300,
50...70 мл этиленгликоля и 50... 150 мл диэтиламина;
III состав состоит из 1000 мл деионизованной воды, 40...80 г аэросила-380,
20...40 г аэросила-300, 50...70 мл глицерина, 100...200 мл этилендиамина и
50... 150 мл 30 %-ной перекиси водорода.
Алмазные микропорошки АСМ и АСН зернистостей 3/2...1/0 и
субмикропорошки зернистостей 0,7/0...0,3/0 используют при полировании кри-
сталлов (рубина, кремния и др.). При определенных условиях, характеризуемых
в основном свойствами связки, микропорошки применяют для полирования
стекол.
Качество порошков оценивают по их полирующей способности и чистоте
обработанной поверхности. Полирующую способность характеризуют количест-
вом материала, сполированного в заданный промежуток времени с образца опре-
деленного размера, из стекла марки К8 в стандартных условиях испытания.
Относительное значение полирующей способности для различных порошков
близкого зернового состава приведено ниже.
Полирующий абразив
Окись хрома ....
Крокус ..................
Полирит..................
Окись тория ....
Двуокись циркония
Относительная полирую-
щая способность
0,5
1,0
1,5
2,2
1,0...2,0
85
Наличие в порошках царапающих примесей устанавливают, контролируя
чистоту полированной поверхности при помощи лупы с увеличением 6х в от-
раженном свете.
Финишное полирование полупроводниковых пластин перед эпитаксиальным
наращиванием проводят полировальным порошком «Элплаз», который выпуска-
ется трех марок: А, Б и В (табл. 2.9). Крупность частиц не более 0,5 мкм.
Марку А применяют для высокоскоростной обработки кремниевых пластин,
марку Б—для их обработки на полировальнике из электростатической замши, а
марку В — для обработки пластин полупроводниковых соединений типа AinBv
и AnBVI.
Таблица 2.9. Основные характеристики порошка «Элплаз»
Характеристика Марка порошка
А 1 Б 1 в
Удельный съем при полирова- нии, мкм/ч Содержание связанного хлора, мае. % 3 2 1
0,2 0,4 0,6
Содержание высокотемпературных форм, % 75 40...75 15...40
Содержание рабочей фракции крепкостью 0,05...0,03 мкм, % Содержание микропримесей, %: 75 — —•
железа 110-2 4 10-1 4 Ю-1
титана 1-10-2 l-10-i 4-10-1
никеля 1-10-2 ью-1 1 • ю-1
хрома 1•10-2 МО-’ МО'1
Материалы для изготовления шлифовальников и полировальников. Для
шлифовальников используют чугунные, стальные, медные, стеклянные, деревян-
ные, текстолитовые и текстовинитовые диски. На их плоской рабочей поверхно-
сти помещают для обработки пластины или кристаллы из полупроводникового
материала. Полировальниками являются шлифовальные диски, обтянутые раз-
личными тканями или синтетическими пленками (фетр, фетр с пластиковым на-
полнителем, кирза, велюр, ворсит, замша, войлок, фланель и др.).
Чугун — сплав железа с углеродом. Для изготовления шлифовальников
используется литейный чугун марок: ХЧ-1—ХЧ-4, ЛХЧ-1—ЛХЧ-6 и ЛД-1 —
Л Д-З с содержанием кремния от 4% и более, углерода от 2,8 до 3,5%, мар-
ганца до 1,5%, фосфора от 0,1 до 1,2%, хрома от 1,6 до 3,8%, и никеля око-
ло 1%, содержание серы не должно превышать 0,05%. Шлифовальники также
выполняются из углеродистых сталей марок Ст2, СтЗ и Ст4.
Сплавы меди с преобладающим содержанием цинка называются лату-
нями и маркируются, например, Л-68 (буква Л обозначает латунь, а цифра
указывает содержание меди в процентах). Сплавы меди, в которых основным
легирующим компонентом является любой металл, кроме цинка, называют
бронзами и маркируются, например, БрОФ6,5-0,25 (буквы обозначают Бр —
бронза, О — олово, Ф — фосфор, а цифры — процентное содержание олова и
фосфора в сплаве).
Текстолит — материал, получаемый пропиткой различных тканей горячей
смолой и последующим прессованием; обладает высокой стойкостью к истира-
нию. Плотность текстолита 1,45 г/см3. Водопоглощение за 24 ч при 293 К не
превышает 0,3 г/см3.
Текстовинит — хлопчатобумажная ткань с поливинилхлоридным покры-
тием двух типов: пористым и непористым. Ее поверхность эластична и устой-
чива к действию воды, керосина, бензина и различных масел. Термостойкость
343 К. Разрывная нагрузка полоски•текстовинита размером 20X100 мм равна
2,8 10е Н/м2.
86
Ворсит — ткань вельветон, на ворсовую сторону которой последователь-
но нанесено несколько слоев каучуковой смеси. Разрывная нагрузка полоски
размером 20X100 мм равна 4Ю6 Н/м2. Удлинение при разрыве 20%.
2.5. Шлифование и полирование пластин
Шлифование. Пластина монокристалла после резки не обладает требуемыми
размерами, формой и глубиной нарушенного слоя. Для исправления имеющихся
в пластине дефектов ее подвергают абразивной обработке, являющейся в тех-
нологии подложек полупроводников промежуточной операцией. Такой обработке
подвергают не только рабочую, но и обратную нерабочую сторону пластины.
Неодинаковая обработка разных сторон пластины вызывает возникновение в ней
остаточных механических напряжений и, как следствие, деформацию. Так, одно-
стороннее шлифование и полирование тонких (100... 150 мкм) пластин создает
в них прогиб до 100 мкм.
В зависимости от характера используемого абразива шлифование подраз-
деляется на шлифование связанным (абразивным инструментом) и свободным
абразивом (абразивными суспензиями).
Шлифование связанным абразивом является высокоточным
и производительным процессом, заключающимся в обработке поверхности пла-
стин полупроводников алмазными шлифовальными кругами. Пластины крепят
к столу шлифовального станка наклеиванием или вакуумным присасыванием.
В зону контакта шлифовального круга с пластинами подают охлаждающую
жидкость. Обычно закрепленные на вращающемся столе пластины обрабатыва-
ют последовательно несколькими (обычно тремя) алмазными шлифовальными
кругами. Это позволяет за один поворот стола провести черновую, получисто-
вую и чистовую обработки пластин.
По характеру воздействия шлифовального круга на обрабатываемую пла-
стину операцию шлифования подразделяют на врезную с принудительной пода-
чей инструмента (рис. 2.23, а) и торцевую с гравитационной подачей (рис. 2.23, б).
Первая по сравнению с плоским шлифованием обеспечивает большую произво-
2
б)
Рис. 2.23. Схема врезного с принудительной (а) и торцевого с гравитацион-
ной (б) подачей инструмента шлифования полупроводниковых пластин:
L — алмазный шлифовальный круг; 2 — обрабатываемые пластины; Hi, Н2, Н3 — толщина
пластины на разных стадиях шлифования; р — нагрузка на шлифовальный круг; h —
фиксированная глубина резания
87
Рис. 2.24. Схема расчета
припусков на обработку
полупроводниковой пласти-
ны:
Л и Б — поверхности пластины
после резания и окончательной
обработки; Яр — глубины на-
ружного слоя после резания;
^п.ш» 2п.ш» ^т.ш» 2т ш» #п.п»
гп.п; "т.п! гт п-глубины на-
рушаемого слоя и припуски,
удаляемые на операциях после
предварительного шлифования,
тонкого шлифования, предва-
рительного тонкого полирова-
ния соответственно; SZ — сум-
марный припуск
дительность, не зависящий от направления движения шлифовального круга про-
гиб, меньшую шероховатость и меньшую глубину нарушенного поверхностного
слоя. Благодаря принудительной подаче удается снимать с полупроводниковой
пластины слой любой толщины, называемый припуском. При этом возникает
возможность снимать заданный припуск в несколько этапов, что повышает ка-
чество обрабатываемых пластин.
Припуск на обработку определяется глубиной нарушенного поверхностного
слоя, образовавшегося на предыдущей операции обработки полупроводниковых
пластин. Обычно припуск должен быть на несколько микрометров больше глу-
бины нарушенного слоя (рис. 2.24). Припуск должен учитывать также откло-
нение формы пластин от заданной (см. рис. 2.10). Припуск снимают чаще всего
в два этапа черновой и чистовой обработки, что позволяет получать лучшее ка-
чество поверхности и формы пластин и меньшую глубину нарушенного поверх-
ностного слоя.
Рабочим инструментом при шлифовании полупроводниковых пластин свя-
занным абразивом служат шлифовальные круги. Для врезного шлифования они
имеют чашечную коническую форму, обозначаемую в наименовании маркиров-
ки ЧК, а для торцевого плоского шлифования — плоскую с выточкой, обозна-
чаемую ПВ. Зернистость алмазного шлифпорошка кругов марки АЧК следую-
щая: для черновой обработки АСО 100/80, для получистовой АСО 80/63 и для
чистовой АСМ 40/28. Они обеспечивают получение поверхности пластин со
среднеарифметическим отклонением профиля (2...8) • 10~2 мкм. Круги марки АПВ
для черновой обработки имеют зернистость АСМ 50/40, для получистовой
АСМ 28/20 и для чистовой АСМ 7/5. Они обеспечивают получение поверхности
со среднеарифметическим отклонением профиля (2...8)10“2 мкм. Корпуса кру-
гов изготовляют из стали марок СтЗ, Ст20, Ст25 и СтЗО или алюминиевых
сплавов АК6 или Д16. Связка алмазного шлифпорошка пластмассовая, из поли-
эфирных смол или металлическая. Иногда применяют круги, изготовленные из
прессованной древесины.
Число обрабатываемых пластин шлифовальным кругом зависит от зернисто-
сти шлифпорошка и составляет, например, для кремниевых пластин АСМ 14/10—
40/28 диаметром 40 мм ЗЮ4. Дальнейшая обработка кругом становится некон-
тролируемой. Однако состояние алмазоносного слоя шлифовального круга может
быть восстановлено подгонкой и притиркой.
Частота вращения алмазного шлифовального круга при врезном шлифова-
нии достигает 14 000 мин”1. Максимальная скорость съема достигает для кругов
зернистостью АСМ 40/28, АСМ 28/20, АСМ 14/10 соответственно 50, 30 и
10 мкм/мин. Частота вращения стола с пластинами 1...1,5 мин-1. При плоском
шлифовании частота вращения алмазных кругов для черновой обработки
480...850, для получистовой 840...1400 и чистовой 1140...2400 мин-1, а частота
вращения стола с пластинами 155...750 мин-1. Скорость съема для кругов зер-
нистостью АСМ 28/20 и 20/14 на операции черновой обработки составляет
5...10, а на чистовой алмазным кругом АСМ 7/5...1 мкм/мин. Расход охлаждаю-
щей жидкости на операциях черновой обработки от 0,4 до 0,8, а чистовой — от
0,8 до 1 л/мин.
88
Глубина нарушенного поверхностного слоя Н пластин, обработанных шли-
фованием связанным абразивом, зависит от зернистости шлифовального круга,
его частоты и скорости съема, что подтверждается данными, приведенными в
табл. 2.10.
Таблица 2.10. Глубина нарушенного слоя кремниевых пластин после
плоского шлифования по различным режимам
Зернистость АСМ Скор ость вращения круга, м/с Скорость съема, мкм/мин Н, мкм Зернистость АСМ Скорость вращения круга, м/с Скорость съема, мкм/мин Н, мкм
63/50 72 50 28 Ю/7 72 10 8...10
40/28 72 / 50 25 14/10 72 10 10
28/20 72 50 21 14/10 28 20 15
14/10 72 30 18 14/10 24 20 20
Однако врезное шлифование обеспечивает более высокое качество пластин
по сравнению с плоским, о чем свидетельствуют приведенные ниже параметры
пластин кремния, обработанных разными методами шлифований связанным аб-
разивом одинаковой зернистости 28/20:
Плоское шли- Врезное шли-
фование фование
Разброс по толщине, мкм
Непараллельность, мкм .
Глубина нарушенного поверхностно-
го слоя, мкм........................
±5
10
15...23
±3
23
2
Худшее значение непараллельности пластин при врезном шлифовании объяс-
няется в данном случае худшей настройкой станка. Однако плоское шлифование
дополнительно создает такую погрешность формы пластин, как неплоскост-
ность 6 (см. рис. 2.11,6, в) Она представляет наибольшее расстояние от точек
реального профиля или реальной поверхности до прилегающей прямой или при-
легающей плоскости. Неплоскостность является результатом поворота плоскости
шлифовального круга под действующей на него нормальной силой на некоторый
угол относительно плоскости пластины. По существующим нормам неплоскост-
ность пластин полупроводников не должна превышать 1...2 мкм.
При шлифовании полупроводниковых пластин свободным абразивом усред-
ненные параметры обработки (удельное давление на пластины, скорость и на-
правление резания, число проходов отдельных зерен на пластине) вследствие
неориентированного резания поверхности большим массивом зерен по всей пло-
щади пластины примерно одинаковы, что обеспечивает однородную структуру
поверхности. Прошедшие обработку свободным абразивом пластины имеют ров-
ную матовую поверхность без следов (рисок) направленной обработки.
Шлифование свободным абразивом применяется двух вариан-
тов: одностороннее (рис. 2.25, а) и двустороннее (рис. 2.25,6). Предпочтитель-
нее двустороннее, обеспечивающее большую производительность и лучшее ка-
чество пластины. В первую очередь это обусловлено отсутствием необходимости
в жестком креплении пластины, например приклеивании, вызывающем возникно-
вение напряжений в пластине и искажение ее формы. Повторное приклеивание
пластины при одностороннем шлифовании для обработки другой стороны также
вносит серьезные изменения в ее форму. Кроме того, взаимное неориентирован-
ное движение пластины и шлифовального круга уменьшает влияние неточности
работы механической части станка на качество пластины.
89
at б]
Рис. 2.25. Схемы полирующих узлов станков одностороннего (а) и двусто-
роннего (б) шлифования пластин полупроводников свободным абразивом:
/ — устройство, дозирующее абразивную суспензию; 2 — грузы; 3 — шлифовальная голов-
ка; 4 — обрабатываемая пластина; 5 — шлифовальник; 6 — направляющие ролики; 7 —
отверстие для подачи абразивной суспензии; 8 — центральный вал с закрепленной на нем
шестерней; 9 — шестерня; 10 — зубчатый сепаратор с отверстием для обрабатываемой
пластины; 11— периферийное зубчатое колесо; 12 — траектория движения центра пла-
стины
Шлифовальные круги для шлифования свободным абразивом изготовляют
из стали, гомогенизированного и пористого чугуна, стекла, алюминия и его спла-
вов, свинца и дерева различной твердости. В качестве шлифующих материалов
применяют водные абразивные суспензии с использованием микропорошков кар-
бида кремния зеленого, обозначаемого КЗМ, зернистостью 63... 14 мкм и тонких
микропорошков белого электрокорунда (Д12О3), обозначемого ЭВМ, зернисто-
стью 10...5 мкм. Перед приготовлением суспензии абразивные порошки отмачи-
вают, что улучшает их гранулометрический состав. Соотношение твердых и жид-
ких компонентов в таких суспензиях Т :Ж=1 : (1...5). Для повышения вязкости
в суспензии вводят этиленгликоль или глицерин.
Основной параметр режима шлифования свободным абразивом — удельное
давление шлифовального круга на пластину. В случае одностороннего шлифо-
вания оно составляет 1,0...1,2 МПа при черновой обработке и 0,8 МПа при чи-
стовой. Частота вращения шлифовального круга 30...40 мин-1. В таких усло-
виях скорость съема кремния абразивами марок КЗМ 14-3, КЗМ 10-1,5 и ЭВМ
составляет 5...0,15 мкм/мин. Более мягкие полупроводники обрабатывают при
меньших удельных давлениях, например арсенид галлия при 0,35 МПа, что обес-
печивает скорость съема материала порошками КЗМ 7 около 3,5 мкм/мин и
ЭБМ 5...1 мкм/мин. Удельное давление при двустороннем шлифовании пластин
германия и кремния 0,8... 1,8 МПа, а частота вращения зубчатого колеса 10 и
шестерен 6 (см. рис. 2.25,6) 300...100 и 25...90 мин-1 соответственно.
Полирование. Обеспечивает получение поверхности полупроводниковой
пластины с минимальными глубиной нарушенного слоя и шероховатостью. Для
удаления нарушенного слоя и получения поверхности с l?z^2,5 • 10-2 мкм необ-
ходимо снять общий слой полупроводника, в 2...3 раза превышающий глубину
нарушенного слоя на предыдущей операции шлифования. Механическое полиро-
вание алмазной пастой, содержащей микропорошок субмикронной зернистости
АСМ 0,5, оставляет нарушенный слой глубиной в несколько микрометров, воз-
90
а) б)
Рис. 2.26. Строение нарушенного слоя поверхности полупроводника после ре-
зания и механического шлифования (а) и механического полирования (б):
1 — рельефно-поликристаллическая зона; 2 — кристаллическая зона с трещинами; 5—зо-
на упругих напряжений и дислокаций; 4 — зона повышенной плотности дислокаций; 5 —
рельефно-аморфная зона; 6 — аморфная зона с трещинами
растающий с уменьшением твердости полупроводника, и неровности высотой
(5...10) • 10~2 мкм. Финишное полирование выполняют химико-механическим ме-
тодом, оставляющим нарушенный слой минимальной глубины и высоту неровно-
стей менее 1 мкм.
Строение нарушенного слоя (НС) на поверхности подвергнутого механиче-
ской обработке (резке) монокристалла полупроводника показано на рис. 2.26, а.
Он состоит из зон поликристаллического рельефа /, трещин и дислокаций 2,
дислокаций 3 и напряженной упруго деформированной зоны 4. Глубина первой
зоны составляет 0,3...0,5 высоты микронеровностей, образующихся на поверхно-
сти полупроводника после его механической обработки. Вторая зона толще пер-
вой в 3...6 раз и имеет мозаичную структуру. Между трещинами могут распо-
лагаться на глубине до 0,2 от общей глубины нарушенного слоя дислокации
и дислокационные стенки.
Строение нарушенного слоя после механического полирования отличается
от строения слоя, образующегося после операций резки и шлифования
(рис. 2.26,6). Рельефная часть слоя имеет меньшую высоту и аморфную струк-
туру. Лежащий ниже ее слой, толщина которого в 2...3 раза больше толщины
рельефа, также аморфный. Третий слой, переходный от аморфной структуры к
кристаллической, содержит упругие или пластические деформации, трещины и
повышенную плотность дислокаций.
В зависимости от характера воздействия полирующих веществ на поверх-
ность полупроводника различают полирование механическое, химико-механиче-
ское и химическое. Первое применяют на операции предварительного полирова-
ния. Оно может быть как односторонним, так и двусторонним и его выполняют
на станках, конструкция которых аналогична конструкции станков для шлифо-
вания, но с кругами, обтянутыми полировальным полотном—замшей, войлоком,
фетром, фильтровальной тканью, батистом, различными неткаными материалами
и другими, например пласткожей. В качестве полирующих веществ используют
алмазные пасты и суспензии. Пасты изготовляют на различной мазеобразной
основе, легко смывающейся водой. Жидкая часть суспензии обычно представляет
собой спирт и различные масла (часовое, приборное, трансформаторное и др.).
Перед началом полирования алмазную пасту наносят на ткань полировоч-
ного диска. Для равномерного нанесения пасты ее сначала растирают между
двумя стеклянными дисками, которыми втирают пасту в ткань полировального
диска в течение 15...20 мин. В процессе полирования, проводимом при удельном
давлении 0,5...0,6 МПа и частотой вращения полировального диска 30...40 мин-1,
в зону полирования непрерывно по каплям подают алмазную сусцензию. В та-
ких условиях съем кремния микропорошком АСМ 3/2 или АСМ 2/1 составляет
30...40 мкм/ч. Более мягкие полупроводники полируют при меньших удельных
давлениях и частотах вращения полировального диска, например арсенид гал-
лия при 0,3...0,4 МПа и 20 мин-1. В этом случае скорость съема такая же, как
при полировании кремния.
91
Скорость съема в ходе операции полирования, продолжающейся от 0,25 до
1,5 ч, изменяется. В начале процесса она велика. Однако в дальнейшем в ре-
зультате износа алмазных зерен и понижения их абразивной способности она
уменьшается.
Механическое полирование по своей природе не отличается от шлифования
свободным абразивом и представляет собой процесс микрорезания большим мас-
сивом зерен. Поэтому после него на поверхности пластины полупроводника
остаются микроцарапины, размер которых соответствует зернистости полирую-
щего алмазного микропорошка. Они образуют на поверхности пластин полупро-
водника так называемый алмазный фон, представляющий собой сетку микро-
рисок, обнаруживаемых при косом освещении пластины. Поэтому окончатель-
ную (финишную или «суперфинишную») операцию полирования проводят хи-
мико-механическим методом. Пластину подвергают одновременному воздействию
химически активной среды и механических частиц. Последние удаляют продукты
химических реакций с микровыступов на обрабатываемой поверхности, что уско-
ряет их стравливание. Давление полировального диска воздействует в первую
очередь на микровыступы, что также ускоряет протекание реакций травления
в этих точках. Этому способствует и подача к микровыступам свежих порций
травителя, происходящая благодаря взаимному движению пластин и полиро-
вального круга.
Для обеспечения высокоэффективной механической обработки пластин моно-
кристаллов с алмазной кристаллической решеткой при малой глубине припо-
верхностной деформации шлифование и полирование производятся по замкну-
тому контуру наименее дефектообразующих направлений. Так, для обеспечения
минимальной глубины нарушений обработка поверхности пластины по плоско-
сти (111) должна производиться по замкнутому шестиугольному контуру на-
правлений [110]. При необходимости создать нарушенный приповерхностный
слой большей глубины (например, для введения в пластину кремния геттера
с нерабочей стороны) или повысить скорость обработки следует шлифовать по
шестиугольнику со сторонами [112]. Для пластин с ориентацией поверхности
(001) можно выбрать два семейства оптимальных направлений, образующих
квадрат.
Различие по глубине нарушенного слоя и скорости удаления материала при
шлифовании и механическом полировании для различных семейств направле-
ний составляет для пластин с ориентацией (111) 30...50%, с ориентацией (001)
15...30% (в зависимости от используемого абразива и способа обработки). Так,
глубина нарушенного слоя после шлифования пластины кремния типа КЭС 0,01
свободным абразивом КЭМ5 и обработки по направлениям [ПО], [112] соот-
ветственно составляет 8...9; 14...15, а при произвольной обработке 9...10 мкм;
скорость съема материала для указанных направлений—1,1; 2,8 мкм/мин (раз-
личие в скоростях съема тем сильнее, чем меньше размер зерна абразива).
Смазочно-охлаждающие жидкости. Обработку монокристалла абразивами,
находящимися в связанном и свободном состоянии, ведут в присутствии смазоч-
но-охлаждающих жидкостей (СОЖ), назначение которых — отвод тепла и про-
дуктов износа из зоны воздействия инструмента. На процесс резки влияют сма-
зочно-охлаждающие жидкости, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и их
диспергирующее действие при измельчении материалов. В качестве СОЖ ис-
пользуют воду с добавлением небольших количеств ПАВ, например кальцини-
рованной соды, мыла, улучшающих смачивание мелких частиц полупроводника.
Попадая в микротрещины обрабатываемого материала, жидкость благодаря ка-
пиллярному расклинивающему действию способствует его разрушению. В состав
охлаждающей жидкости вводят также вещества, замедляющие коррозию метал-
лических деталей станка, например буру, нитрат натрия и др. В качестве при-
мера охлаждающей жидкости сложного состава можно привести «жидкость
НИИалмаз», в процентах: тринатрийфосфат 0,6, бура 0,3, кальцинированная со-
да 0,25, нитрат натрия 0,1, остальное — вода.
При резке полупроводниковых соединений AinBv, гидролиз которых в на-
гретом состоянии в зоне реза приводит к выделению токсичных веществ, на-
пример 2ОаР4-ЗН2О=Оа2Оз4-2РНз, в состав охлаждающей жидкости вводят
нейтрализующие вещества. Например, перманганат калия окисляет сильно ток-
сичные трехвалентные соединения фосфора и мышьяка до пятивалентных, об-
92
ладающих меньшей токсичностью: 2КМпО4+РН3-|-Н2О=Мп2Оз+НзРО44-2КОН.
Особо эффективным является применение небольших добавок ПАВ, кото-
рые изменяют молекулярную природу межфазной поверхности. Адсорбируясь на
поверхностях раздела вода — воздух, вода — углерод, вода — твердое тело, они
образуют мономолекулярные (иногда полимолекулярные) слои ориентированных
молекул (ионов). Адсорбция ПАВ сопровождается снижением межфазной по-
верхностной энергии, что отражается на механизме интенсивности процессов,
связанных с разрушением материала.
Введение небольших количеств ПАВ в состав СОЖ практикуется при обра-
ботке металлов и разрезании слитков полупроводниковых материалов. Исполь-
зуют в качестве СОЖ 3%-ный раствор «Аквол-11», который улучшает показа-
тель шероховатости поверхности пластин, повышает стойкость отрезных диcкoвJ
снижает процент брака пластин по трещинам и сколам, что объясняется эффек-
тивным удалением шлама из зоны резания. Применение в качестве СОЖ рас-
творов «Аквол-11» с концентрацией от 0,5 до 1,5% позволяет повысить произ-
водительность процесса разрезания монокристаллов кремния за счет увеличения
скорости поперечной подачи до 40...50 мм/мин. Повышение концентрации
«Аквол-11» (начиная с 2%) не отражается на эффективной стойкости дисков
и на геометрических параметрах пластин.
Охлаждающую жидкость подают на режущую кромку сверху вниз так, что-
бы ее потоки по обе стороны диска были равны, что обеспечивает его равно-
мерное охлаждение. Давление подаваемой жидкости должно быть не слишком
большим, так как при излишне высоком давлении жидкость отражается от ре-
жущей кромки диска и не попадает в зону реза. Расход охлаждающей жид-
кости должен быть максимальным, определяемым возможностями слива ее через
отверстия в барабане.
При выполнении грубого и тонкого шлифования плоских и сферических
поверхностей, сверлении и разрезке, круглом шлифовании стеклянных пластин,
нанесении скосов, пазов, канавок и других операций в большинстве случаев ис-
пользуют эмульсии, в состав которых входят эмульсол, керосин осветительный
и вода. Кроме этих компонентов для уменьшения адгезии диспергированных
частиц стекла к поверхности рабочей кромки инструмента и их способности к
коагуляции в состав эмульсий вводят некоторое количество кальцинированной
соды.
Эмульсол представляет собой отходы масляного производства. Малое коли-
чество содержащихся в нем ПАВ и плохая растворимость в воде определяют
низкие смазывающие и смачивающие свойства эмульсий. В зоне контакта ал-
мазных зерен со стеклом практически нет смазывающей пленки, а находится
только прослойка воды. При отводе тепла она испаряется, трение пары стекло-
алмаз происходит почти всухую, что ускоряет износ зерен. Используют также
эмульсии, в которых эмульсол заменен на эмульсол из нефтяных сульфонатов.
Стойкость алмазного инструмента и производительность процессов повышаются,
но присутствующие в эмульсоле добавки (Na2CO3, Na3PO4, NaNO3) частично
выпадают в осадок, что затрудняет хранение и использование эмульсий.
Улучшенные смазочно-охлаждающие свойства имеют 3...5%-ные водные
эмульсии на основе эмульсола, компонентами которого являются сульфокисло-
та (75%), тринатрийфосфат (15%), глицерин (10%). В результате обменной
реакции сульфокислоты с тринатрийфосфатом в масляной среде образуется мел-
кодисперсная структура, в которой вода и добавки стабилизированы внутри ча-
стиц сульфоната. В зоне трения частицы разрушаются. Их активная группа
прикрепляется к твердым телам, а углеводородные радикалы, адсорбированные
поверхностями алмаза и стекла, соприкасаясь, обеспечивают смазку. Вода не
имеет доступа к трущимся поверхностям. Она поглощает тепло и испаряется.
В состав эмульсола могут быть введены фосфоросодержащие соединения, улуч-
шающие антикоррозионные и смазочно-охлаждающие свойства эмульсий.
При использовании водосодержащих СОЖ и работе алмазного инструмента
с малой нагрузкой наблюдается его засаливание. К числу причин, вызывающих
это явление, относится адгезионное взаимодействие частиц разрушенного стекла
со связкой инструмента. Если окисление связки происходит быстрее, чем ее
износ, то образующаяся пленка окиси будет удерживать на себе частицы стек-
ла. Последние, выполняя защитную функцию, замедляют износ связки и уда-
93
Рис. 2.27. Зависимость съема стекла
шлифованием и шероховатости Rz по-
верхности от критериев оценки СОЖ
ление затупившихся зерен алмаза. Ре-
жим самозатачивания инструмента не на-
рушается, и он теряет режущую спо-
собность. Адгезию уменьшают, вводя в
состав СОЖ вещества, которые адсор-
бируются на связке данного состава
лучше, чем стекло.
За критерий оценки СОЖ принима-
ют поверхностное натяжение и кислот-
ность pH, которые оказывают влияние
на производительность процесса шлифо-
вания и шероховатость обрабатываемой поверхности (рис. 2.27). Величины
как а, так и pH связаны с концентрацией эмульсии. С повышением концентра-
ции производительность возрастает, но одновременно увеличивается и шерохо-
ватость. Оптимальные показатели процесса наблюдаются при о=380...440 Н/м
и рН==9,0...9,2.
При выполнении операции центрирования линз алмазными кругами формы
АПП в качестве СОЖ используют веретенное или вазелиновое масло. Для цент-
рирования линз из неналетоопасных стекол могут быть применены водосодер-
жащие эмульсии, но шероховатость обработанной поверхности будет больше.
2.6. Контроль качества пластин полупроводниковых материалов
К основным параметрам, подлежащим контролю в производственных усло-
виях, относятся толщина пластины и ее непараллельность, изогнутость (прогиб),
неплоскостность, профиль фаски, длина базового среза, шероховатость поверх-
ности, удельное сопротивление, макро- и микронеоднородность по удельному
сопротивлению, качество обработки поверхности (риски, сколы и прочие механи-
ческие нарушения поверхности), дефекты кристаллической решетки.
Толщина пластины. Параметр, наиболее часто контролируемый в процессе
изготовления пластин. Помимо обязательного выходного контроля в техноло-
гическом процессе предусматривается многократный межоперационный контроль
перед проведением групповых операций шлифования и полирования, требующих
сортировки пластин по толщине. В производстве используется измеритель тол-
щины с емкостным датчиком, выполненным в виде цилиндрического щупа.
Контролируемая пластина помещается на опорах между двумя встречными дат-
Рис. 2.28. Изменение толщины (а), изогнутости (б) и непараллельности (в)
пластин:
/ — пластина; 2 — датчик
94
чиками (рис. 2.28, а). Возникающие при этом изменения емкости датчиков пре-
образуются в электрические сигналы, пропорциональные расстояниям Aj и h2
между торцевыми поверхностями датчиков и соответствующими поверхностями
пластины. При известном расстоянии между датчиками Н вычисляется толщина
пластины. Рабочий диапазон применяемых в настоящее время измерителей тол-
щины составляет 1...1000 мкм, случайная составляющая погрешности измерения
не превышает ±2,5 мкм с доверительной вероятностью 0,95.
Непараллельность и изогнутость пластины. Контролируется с помощью тех
же приборов, что и толщина. Пластина перемещается относительно емкостных
датчиков по определенной траектории. Начальная точка этой траектории прини-
мается за опорную. В случае измерения изогнутости опорная точка выбирается
в центре пластины, а при измерении непараллельности — в периферийной обла-
сти. Во время перемещения пластины прибор регистрирует и запоминает мак-
симальные сигналы, пропорциональные величинам (А] А2)тах и (й,+/12) max.
Первый из них характеризует изогнутость срединной линии пластины
(рис. 2.28,6), второй — непараллельность (рис. 2.28, в), отнесенные к расстоя-
нию между опорной точкой и точкой, в которой эти сигналы регистрируются.
Поверхность изогнутой пластины, как правило, не имеет осевой симметрии,
и профиль ее содержит несколько вершин вогнутостей и выпуклостей. Чтобы
получить объективную информацию об изогнутости поверхности пластины с та-
ким сложным профилем, необходимо сильно увеличить длину траектории пере-
мещения пластины, охватывая как можно большую часть площади поверхности.
Это, однако, приводит к увеличению длительности измерений.
Эти трудности преодолеваются использованием методов широкопольной, па-
норамной интерференции (рис. 2.29). Луч света / от монохроматического источ-
ника излучения направляется через стеклянную призму на поверхность контро-
лируемой пластины. За счет многократного отражения от поверхности призмы
и пластины луч I расщепляется на компоненты I" и т. д., интерферирующие
друг с другом с разностью фаз, накопленной на оптической длине пути в за-
зоре А. Гипотенузная грань G призмы обычно принимается за эталонную, по-
этому ее неплоскостность должна быть по возможности минимальной. Если по-
верхность пластины изогнута, величина А является функцией координаты и
проектируемая на экран интерференционная картина будет состоять из серии
чередующихся темных полос, представляющих собой линии равной высоты А.
Число интерференционных полос между выбранными точками поверхности
пластины характеризует разность высот этих точек относительно эталонной
грани призмы: AA=nX/2cosct, где п — число интерференционных полос; X —
длина волны монохроматического излучения; а — угол падения луча на поверх-
Рис. 2.29. Измерение непараллель-
ности и изогнутости методом широ-
копольной интерференции
Рис 2.30. Вид интерференционных
полос разной высоты при широко-
польной интерференции от реальной
поверхности пластины:
1—4 — вершины; 5—7 впадины
95
ность образца. Угол между гипотенузой и боковыми гранями призмы обычно
выбирается так, чтобы X/2cosa~l мкм.
Получаемое с помощью метода широкопольной интерференции панорамное
изображение полос равной высоты дает наиболее объективную информацию о
реальном профиле поверхности пластины. Однако практическое применение это-
го метода для контроля изогнутости пластины сопряжено с трудностями полу-
чения численного результата измерения. Поскольку стрела прогиба, характери-
зующая изогнутость пластины, достигает 60 мкм и более, на интерферограмме
появляется большое число полос (более 60), которые лежат настолько близко
друг к другу, что их подсчет представляет собой трудоемкую и утомительную
операцию, а в некоторых случаях и невозможен вследствие перекрытия полос.
Преодолеть эти трудности можно путем вывода интерференционного панорам-
ного изображения на телевизионный экран и подсчета числа полос с помощью
электронного луча.
Неплоскостность пластины. Наибольшее расстояние от точек реальной по-
верхности пластины до прилегающей плоскости. Контроль этого параметра осу-
ществляется методом панорамной интерференции. Для измерения неплоскостно-
сти этим методом необходимо устранить изогнутость пластины, что выполняется
на столе, снабженном вакуумным прижимом. С помощью регулировочных вин-
тов стола добиваются минимального числа интерференционных полос на экране.
Эта операция проводится для того, чтобы исключить наклон пластины относи-
тельно гипотенузной грани призмы и тем самым сориентировать прилегающую
плоскость параллельно эталонной. На интерференционной картине отмечают
экстремальные точки, которые проявляются как центры участков, окруженных
замкнутыми интерференционными полосами в виде колец искаженной формы
(рис. 2.30). Точки классифицируют на вершины и впадины, для чего с помощью
регулировочных винтов слегка приближают столик с закрепленной на нем
контролируемой пластиной к поверхности эталонной гипотенузной грани призмы.
Те точки, от которых интерференционные кольца разбегаются в стороны, яв-
ляются вершинами, а те, в которые кольца сбегаются,— впадинами. Выбирают
две соседние вершины и впадину, разделенные наибольшим числом полос интер-
ференции. Это число полос (на рис. 2.30 — число полос между точками 4 и 6)
определяет величину неплоскостности и характеризует качество пластин. В про-
изводстве контроль качества пластин по неплоскостности проводится по малой
выборке из товарной партии пластин.
Для получения достоверных значений неплоскостности полупроводниковых
пластин технические характеристики измерительного прибора и процедура из-
мерений должны удовлетворять определенным требованиям. Это касается преж-
де всего требований к неплоскостности эталонной грани призмы и поверхности
стола прибора, к которому прижимается пластина. Необходимо, чтобы неплос-
костность этих поверхностей не превышала 0,5... 1 интерференционных колец
(0,5...1 мкм). Поверхность стола и контактирующая с ним поверхность пласти-
ны перед проведением измерений должны быть тщательно обеспылены. В про-
тивном случае мелкие частицы пыли в результате вакуумного прижатия пласти-
ны будут вызывать ее искривление, что приведет к получению ложной инфор-
мации о величине неплоскостности. Тот же эффект может быть вызван
неправильным выбором формы, размеров и расположения воздуховодных кана-
вок на поверхности стола. Погрешность измерения в значительной мере зависит
от неплоскостности нерабочей стороны, которой она прижимается к столу, так
как эта неплоскостность приводит к искривлению пластины при ее вакуумном
прижатии и, следовательно, к получению искаженного значения истинной вели-
чины неплоскостности рабочей стороны пластины.
Последнее обстоятельство не является, однако, препятствием к промышлен-
ному использованию метода панорамной интерференции для измерения неплос-
костности пластин по следующей причине. Ограничения на величину неплоскост-
ности пластин вводятся для обеспечения высокого качества операций фотолито-
графии. В процессе экспонирования фоторезиста пластина, как и в процессе
измерений, прижимается с помощью вакуума к столу, поэтому четкость полу-
чаемого изображения рисунка фотошаблона определяется неплоскостностью не
только рабочей стороны пластины, но и ее нерабочей стороны. Таким образом,
требования к величине неплоскостности характеризуют качество обработки обеих
96
сторон пластины. Исключительная важность этих требований и большая трудо-
емкость операций контроля неплоскостности пластин диктуют создание более
производительных бесконтактных методов и средств измерений формы поверхно-
сти пластин.
Закругление края пластины (фаска). Является одним из важных факторов,
определяющих качество технологических операций изготовления полупроводни-
ковых приборов. Формирование фаски на пластинах позволяет устранить мно-
гие специфические виды брака и негативные явления, возникающие при меха-
нической обработке пластины, нанесении фоторезиста, фотоэкспонировании, эпи-
таксии, транспортировании. Скалывание острых краев пластин при механической
обработке приводит к ухудшению качества их рабочей поверхности (появлению
царапин, рисок и др.). Сколы на краях могут возникать и при извлечении цла-
стин из технологической тары. Образующаяся при этом крошка попадает на
рабочую поверхность пластины. При эпитаксиальном наращивании это приво-
дит к появлению дефектов структуры эпитаксиального слоя, а в местах краевых
сколов могут возникать дислокации. Нанесение фоторезиста на поверхность
пластины, не имеющей фаски, сопровождается образованием на ее краях коль-
цевого валика, что в дальнейшем приводит к ухудшению качества экспониро-
вания. В процессе роста эпитаксиального слоя на пластине без фаски также
возможно образование кольцевого валика («короны»).
Профиль фаски характеризуется шириной и высотой (расстоянием от на-
чала искривления до точки профиля с заданным вертикальным смещением от-
носительно поверхности пластины). Для контроля профиля фаски используется
метод движущегося щупа с регистрацией вертикальных перемещений на ленте
самопишущего прибора. Механические перемещения щупа преобразуются в
электрический сигнал с помощью механотрона. Полученную профилограмму сопо-
ставляют с шаблоном, на котором обозначен коридор, ограниченный предельно
допустимыми величинами ширины и высоты фаски. Если измеренный профиль
вписывается в коридор шаблона, пластина считается годной по этим параметрам.
Диаметр пластины и длина базового среза. Контроль этих параметров
выполняется механическими средствами, при использовании которых возможны
разрушения краев пластины. В связи с этим возникает необходимость в приме-
нении бесконтактных методов контроля.
Шероховатость поверхности пластины. Контроль шероховатости проводится
с помощью профилографа-профилометра модели 252 с вертикальным увеличе-
нием 200000х и алмазным щупом с радиусом закругления иглы 0,002 мм. Для
производства микросхем шероховатость поверхности полупроводниковых пластин
должна соответствовать 14-му классу чистоты (/?z^0,05 мкм).
Удельное сопротивление и неоднородность его распределения. Контролиру-
ются четырехзондовым методом с помощью прибора ИУС-3. Измерения прово-
дятся в пяти точках, одна из которых помещена в центре пластины, а остальные
на взаимно перпендикулярных диаметральных линиях на расстояниях от центра,
равных половине радиуса. Однородность по удельному сопротивлению
j/p=|bdk |.юо,
Рк + Рд
где рк — среднее значение удельного сопротивления для четырех точек, уда-
ленных от центра на половину радиуса; рц — среднее значение удельного со-
противления в центре (для двух измерений).
Микронеоднородность по удельному сопротивлению. Наиболее характерной
для монокристаллов, полученных методом Чохральского и бестигельной зонной
плавкой, является спиральная неоднородность, возникающая в слитке при его
выращивании в условиях несимметричного теплового поля. Поскольку устране-
ние спирального эффекта представляет большие технические трудности, спираль-
ная неоднородность встречается довольно часто и служит одной из главных
причин, снижающих качество полупроводниковых приборов.
* Спиральная неоднородность по удельному сопротивлению представляет со-
бой периодические колебания удельного сопротивления вдоль образующей
слитка, наиболее сильно проявляющиеся в его периферийных областях. Так как
7 Заказ № 1270
97
Рис. 2.31. Характерный вид периодической микронеоднородности в монокри-
сталле кремния марки КДБ-10 при шаге перемещений 20 мкм
при выращивании слитка фронт кристаллизации не является плоским, то в се-
чении слитка также наблюдаются периодические колебания удельного сопротив-
ления. Учитывая негативную роль спиральных неоднородностей и возможность
их обнаружения на поперечных сечениях слитка, необходимо включать в тех-
нические условия на пластины требования допустимому уровню периодических
колебаний удельного сопротивления. Микронеоднородность таких полупроводни-
ков, как германий и кремний, может быть измерена методом сопротивления
растекания. Измерения проводят на пластинах после операции финишного по-
лирования поверхности. Количественно микронеоднородность периодического ха-
рактера
Vp=l pmax~pmln 1-100,
Pmax + pmin
где ртах и pmin — максимальное и минимальное значение удельного сопротив-
ления в соседних экстремумах (рис. 2.31).
Дефекты кристаллической структуры. Технические требования к пластинам
полупроводниковых материалов регламентируют допустимые нормы на содержа-
ние таких структурных несовершенств, как дислокации, выделения второй фазы,
кластеры точечных дефектов, дефекты упаковки и др. Обнаруживаются данные
дефекты с помощью стандартных методов селективного химического травления
и идентифицируются по характерным для каждого вида дефектов фигурам трав-
ления. Подсчет плотности дефектов проводится под микроскопом в соответст-
вии с планом контроля, зависящим от плотности и распределения дефектов по
площади пластины.
Особую опасность формирования в объеме полупроводника различного
рода структурных дефектов представляет слоистая спиральная неоднородность,
возникающая в результате периодической модуляции скорости роста кристалла
и обусловливающая периодичность как в распределении неравновесной кон-
центрации точечных дефектов структуры, например вакансий и междоузельных
атомов в бездислокационном материале, так и в распределении атомов примесей,
у которых эффективный коэффициент распределения на границе расплав —
твердое тело сильно зависит от скорости роста монокристалла. После охлажде-
ния слитка в определенных витках спирали создаются благоприятные условия
для возникновения сильно пересыщенного раствора точечных дефектов и при-
месей. Высокая концентрация дефектов структуры и примесных атомов усили-
вает их взаимодействие. Обе причины приводят к тому, что в процессе охлаж-
дения слитка, а также при проведении термообработки, предусмотренной техно-
логическим циклом изготовления полупроводниковых приборов, в определенных
витках спирали резко ускоряется распад твердых растворов с образованием
различного вида примесных комплексов, кластеров точечных дефектов, выделе-
ний второй фазы, дефектов упаковки и других структурных несовершенств.
98
Образующиеся дефекты в свою очередь могут служить центрами осаждения
избыточных растворов других примесей, которые не подвергаются воздействию
спирального эффекта из-за слабой зависимости эффективного коэффициента
распределения от скорости роста монокристаллов. Таким образом, например,
происходит образование в монокристаллах кремния частиц SiO2, возникающих
в результате распада пересыщенного раствора равномерно распределенного
кислорода на центрах, которыми могут служить комплексы вакансий. В резуль-
тате этого явления при равномерном распределении кислорода наблюдается
спиральное распределение концентрации частиц SiO2 в объеме монокристалла.
Вследствие того, что спиральная неоднородность представляет собой наибо-
лее опасный источник структурного несовершенства, контролю этого параметра
уделяется особое внимание. Если описанные выше процессы фазовых превраще-
ний проявляются в ходе остывания монокристаллического слитка после его вы-
ращивания, то спиральная неоднородность обнаруживается на пластинах после
их селективного травления в стандартных травителях в виде спиральных витков
(свирлов), образованных фигурами травления.
Отсутствие свирлов после селективного травления пластин не означает еще,
что спиральная неоднородность отсутствует, а может свидетельствовать о том,
что во время охлаждения слитка процессы фазовых превращений происходили
недостаточно интенсивно. Однако этот вид неоднородности может проявить себя
в дальнейшем, при операциях термообработки. По этой причине необходимо осу-
ществлять периодический контроль спиральной неоднородности в пластинах
кремния после их термообработки при высокой температуре. Условия и режим
термообработки задаются потребителем и соответствуют типовым высокотемпе-
ратурным технологическим операциям изготовления конкретного типа приборов.
Поскольку практически сложно устранить спиральную неоднородность, в
технических требованиях на пластины указывают не на отсутствие этой неодно-
родности, а на отсутствие определенного вида сопутствующих дефектов струк-
туры (например, дефектов типа А, представляющих собой частичные дислокации
дефектов упаковки, возникающие при осаждении избыточной концентрации
междоузельных атомов кремния).
Для контроля структурного совершенства полупроводниковых пластин ис-
пользуют прибор на основе инфракрасного поглощения для записи топограммы
распределения неоднородностей. Пластина полупроводника помещается между
источником света и щелью монохроматора и с помощью двухкоординатного
сканирующего устройства перемещается относительно луча света. Одновременно
с пластиной сканируется планшет с диаграммной бумагой, укрепленной на одной
платформе с контролируемой пластиной. С помощью вращающегося пера, не
соединенного механически с перемещающейся платформой, на бумаге рисуется
система строк.
Структурные дефекты и микронеоднородности в распределении примесей
вызывают локальные изменения коэффициента поглощения, что приводит к мо-
дуляции интенсивности света, прошедшего сквозь пластину. Сигнал от прием-
ника излучения, размещенного на выходе из монохроматора, подается на вра-
щающееся перо самописца и регистрируется как всплеск на строчной линии раз-
вертки. В результате на бумаге создается изображение топограммы распределе-
ния неоднородностей и дефектов структуры по площади пластины. Варьируя
длину волны излучения, можно исследовать полупроводники с различной шири-
ной запрещенной зоны и настраиваться на зону наибольшей чувствительности
обнаружения по отношению к различным видам исследуемых дефектов. Время
записи всей топограммы для пластин диаметром 100 мм не превышает 5 мин.
Прибор обеспечивает выявление спиральных неоднородностей в пластинах крем-
ния, не прибегая к их обработке в селективных травителях.
Применяют инфракрасный лазерный поляризационный микроскоп с выво-
дом изображения на телеэкран. Применение в нем лазерного источника света
совместно с телевизионной приставкой позволило улучшить контрастность
изображения наблюдаемых структурных дефектов по сравнению с обычно при-
меняемыми для аналогичных целей микроскопами типа МИК-1, МИК-4. Высокие
контрастность изображения и чувствительность к полям упругих напряжений в
кристаллической решетке дают возможность эффективно использовать и инфра-
красный лазерный поляризационный микроскоп для обнаружения спиральной
7*
99
неоднородности в монокристаллах полупроводников без применения селективного
химического травления и специальных термообработок. Так как спиральная не-
однородность характеризуется периодическим распределением концентрации
дефектов структуры, в кристалле полупроводника могут возникать периодиче-
ские упругие напряжения, которые можно наблюдать в поляризованном инфра-
красном свете вследствие эффекта двойного лучепреломления.
Разработан прибор для обнаружения дефектов структуры в пластинах крем-
ния с выводом изображения на экран электронно-лучевой трубки. Пучок от ге-
лий-неонового лазера сканирует по поверхности кремниевой пластины, помещен-
ной между двумя обкладками конденсатора. Верхняя обкладка прозрачна для
лазерного излучения и изолирована от пластины. Поверхность пластины пред-
варительно электрически заряжается от ионного генератора, в результате чего
создается обедненный слой. Генерируемые под воздействием лазерного излучения
носители заряда локализуются в обедненном слое, что приводит к возникнове-
нию электрического поля между обкладками конденсатора. При наличии дефек-
та неравновесные носители рекомбинируют вблизи него с большей скоростью,
поэтому электрическое поле, а следовательно, и фотонапряжение в области де-
фекта меньше, чем в бездефектном участке поверхности пластины. Сигналы фо-
тонапряжения преобразуются в изображение на экране электронно-лучевой
трубки, которое позволяет судить о размерах и форме дефектов структуры.
2.7. Разделение пластин
Процесс разделения пластин включает скрайбирование и разламывание.
Часто перед скрайбированием осуществляют утоньшение пластин. Сошлифовка
толщины пластин повышает процент выхода годных на операции скрайбирова-
ния. Рабочая сторона пластин при проведении утоньшения защищается слоем
лака ХВ-784 при частоте вращения пластин 1500...2000 мин-*1 и времени центри-
фугирования 40...60 с.
Утоньшение пластин производится:
шлифованием алмазными кругами типа АСМ 40/28 как с приклейкой пла-
стин, так и на вакуумных присосках;
шлифованием свободным абразивом — микропорошком;
полированием на замшевом полировальнике алмазной суспензией на основе
микропорошка;
комбинированным методом, включающим предварительное шлифование мик-
ропорошком и окончательную доводку полированием.
Скрайбирование. Заключается в нанесении рисок на поверхность пластины,
например, в двух взаимно перпендикулярных направлениях посредством воздей-
ствия алмазного резца-скрайбера, диска или лазерного излучения. Под рисками
образуются напряженные области. Слабое механическое воздействие на пла-
стину приводит к ее ломке.
Технология производства полупроводниковых приборов требует точного и
быстрого контроля ориентации полупроводниковых пластин и кристаллов от-
носительно инструмента в установках лазер-
ного скрайбирования, алмазной резки, сварки
д* и др. Для поиска и ориентации полупровод-
а5— никовых приборов по топологической струк-
туре используют метод трансформирования
изображения.
I Погрешность ориентации (угловой разво-
ут’ЧрА рот) пластины относительно оси визирова-
I JK ния У (рис. 2.32) определяется по формуле
у = ДХ/2/,
-1 Д J/ где ДХ — ошибка визирования; 2/ — база
j I у ориентации, или поле зрения прибора.
Рис. 2.32. Определение погрешности ориента-
ции полупроводниковых пластин
100
Для повышения точности ориентации необходимо либо расширить базу
ориентации 2/, что нашло применение в двухпольных проекторах и микроскопах,
либо уменьшить ошибку визирования АХ. В первом случае сужается область
применения оптического прибора, усложняется конструкция и увеличиваются га-
бариты, а простое повышение видимого увеличения прибора Г приводит к про-
порциональному уменьшению поля зрения прибора: 2г =21/Г, что не уменьшает
угловую ошибку ориентации: у'=ДХ72/'=ДХ/Г/2//Г=ДХ/2/=у.
Для повышения точности ориентации необходимо создать различное уве-
личение по осям X и У, чтобы уменьшение ошибки визирования по оси X не
вызвало уменьшения базы ориентации по оси У, а это есть трансформирование
изображения, т. е. создание различного увеличения в двух взаимно перпенди-
кулярных направлениях по осям X и У—Гх и Гу соответственно. Эти увеличения
связаны между собой коэффициентом анаморфозы К: ГХ~КГУ.
Ошибка ориентации в приборах с трансформированным изображением
_ ДХ/Гх = ЬХ1КГУ = ЬХ = jv_
Vt“ 21Гу • 21ГУ KV К ’
где у — ошибка ориентации при нетрансформированном изображении.
В результате трансформирования ошибка ориентации уменьшается, а точ-
ность возрастает на величину, равную коэффициенту анаморфозы оптической
системы. Данный метод является универсальным, его можно реализовать в се-
рийном оборудовании благодаря простоте построения и расчету анаморфозных
оптических систем (объективов, окуляров, насадок).
Для скрайбирования алмазным резцом используют станки ЖК10-11,
ШАР-016001, СМ-23А, ЭМ-201. При скрайбировании (рис. 2.33) разрезаемая
пластина 1 вакуумным присосом прижимается к столику 3 подвижного меха-
низма 4. Алмазный резец 2 совершает возвратно-поступательное движение и
процарапывает на поверхности пластины ровную канавку. Затем столик с пла-
стиной автоматически передвигается на заданную величину и при возвратном
движении резец оставляет канавку, параллельную первой. После прохождения
Рис. 2.33. Кинематическая схема
станка резки алмазным резцом
Рис. 2.34. Конструкции алмазных
резцов
101
алмазным резцом всей площади пластины она поворачивается на 90° и процесс
повторяется.
Для скрайбирования используют резцы с алмазным наконечником (рис. 2.34).
Резцы с рабочей частью в виде трехгранной пирамиды (рис. 2.34, а) предназна-
чены для резки пластин из германия толщиной от 100 до 250 мкм, четырех-
гранной пирамиды с острой вершиной (рис. 2.34,6) — для резки пластин крем-
ния толщиной от 250 до 500 мкм и четырехгранной усеченной пирамиды
(рис. 2.34, в) — для резки пластин одной из четырех заостренных граней.
При резке пластин толщиной 125 мкм на кристаллы минимальный шаг резки
кремния и германия составляет 0,4 и 0,5 мм соответственно. Глубина рисок
после алмазной резки 7 мкм. Нагрузка резца на пластину рекомендуется 0,2 Н
для кремния и 0,1 Н для германия при скорости нанесения рисок 0,025 и
0,03 м/мин соответственно. Минимальный размер кристаллов h и толщина ис-
ходной пластины I связаны следующим соотношением: h=kl, k=4 для
Si и Л = 32 для Ge.
Для обеспечения удовлетворительного качества разламывания пластин на
кристаллы после резки дисками глубина реза должна быть не менее 2/3 исход-
ной толщины пластины.
Для скрайбирования используют также энергию лазерного излучения. Ли-
ния реза, возникающая при воздействии энергии лазерного излучения, снижает
прочность материала за счет уменьшения площади поперечного сечения под-
ложки; образования концентратора напряжения и деформирования слоя вблизи
лазерного реза. Высокое качество разделения обеспечивается при низкой ско-
рости скрайбирования, когда глубина скрайбирования не менее 1/4 толщины
пластины.
Защита и очистка пластины от конденсатов полупроводникового материала
при лазерном скрайбировании обеспечивается продувкой зоны обработки воз-
духом, вакуумным отсосом (рис. 2.35, а, б) либо размещением над пластиной
прозрачной эластичной ленты, обладающей хорошей адгезией к глобулам испа-
ренного материала и предотвращающей их осаждение на поверхность полупро-
водниковой пластины (рис. 2.35, в). Удаление отходов при лазерном скрайби-
ровании возможно локальной реакцией испаряемого с пластины материала с
веществом, взаимодействующим с материалом пластины с образованием газо-
образного соединения материала подложки, которое удаляется вакуумной от-
качкой
Для лазерного скрайбирования используют установки, параметры которых
приведены в табл. 2.11.
В конструкцию полуавтомата ЭМ-220 входит мощный технологический ла-
зер ЛТИ-502 со средней мощностью 16 Вт, длиной волны 1,06 мкм и частотой
повторения импульсов 5...50 кГц с непрерывной накачкой от плазменно-дуговой
криптоновой лампы, снабженной высоковольтным блоком питания и охлаждения,
оптической системой фокусировки луча и визуального наблюдения, а также
система координатных перемещений и механизм загрузки и предварительной
ориентации пластин (рис. 2.36). Управление лазером осуществляется с помощью
а кустооптического модулятора добротности. Режим модулированной добротности
характеризуется большими значениями пиковой мощности, что в сочетании с
Рис. 2.35. Узлы защиты поверхности подложки при лазерном скрайбировании:
1 — фокусирующий объектив; 2 — подложка; 3 — лазерный пучок; 4 — трубопровод к ва-
куумному насосу; 5 — линия подачи газа; 6 — стекло для защиты объектива
102
Таблица 2.11. Параметры установок для лазерного скрайбирования
Параметр ЭМ-210 ЭМ-220
Максимальный диаметр обрабаты- 78(100)* 150
ваемых пластин, мм Диапазон изменения шага при дис-
кретности 0,01 мм, мм Диапазон изменения подъема при повторных резах и дискретности 0,10...9,99 0,01...99,99
0,0025 мм, мм —. 0...0.79
Ширина реза, мкм Глубина реза кремниевых пластин за один проход при скорости 40(25)** 40
100 мм/с, мкм 75(50)** 150
Диапазон изменения скорости, мм/с Погрешность перемещения, мкм: 25...250 10. .399
при длине хода 100 мм 20 —-
относительно центра при общей длине хода 150 мм — ±15
Загрузка Ручная Автоматическая с предварительной ориентацией
Ориентация (точная) Механическая с ручным управле- нием Электронная с ручным управле- нием
Фокусировка Ручная Автоматическая
Проникновение вредных излучений через видеоконтрольный канал В пределах нормы Отсутствует
* На моделях ЭМ-210 последних выпусков возможна обработка пластин диаметром
100 мм с ограничением по шагу.
** Глубина и ширина реза установки ЭМ-210 нормируются при скорости 200 мм/с и
составляют 50 и 25 мкм соответственно.
небольшой длительностью (~250 нс) и высокой частотой следования импуль-
сов (до 50 кГц) позволяет получать скрайберный рез при больших скоростях
скрайбирования.
Для защиты от попадания крошки при разделении пластин полупроводни-
ка, а также от брызг расплавленного материала в случае лазерного скрайби-
рования поверхность пластин может защищаться фоторезистором, полимерной
пленкой поливинилового спирта, натурального латекса и др.
После надрезания пластины ее обычно подвергают жидкостной очистке с
последующей осушкой; для этого часто применяют специальные щетки, особен-
но в случае лазерного разделения, так как для устранения последствий попа-
дания продуктов испарения на поверхность пластины ее защищают органиче-
скими пленками, которые, естественно, требуют последующего тщательною
удаления.
Для разделения полупроводниковых пластин на модули применяется метод
механического фрезерования с помощью специальных дисков толщиной
19...60 мкм, имеющих большую частоту вращения (36 000...50 000 мин -1), на
концах которых закреплена алмазная крошка. Образующаяся в процессе фре-
зерования полупроводниковая пыль легко удаляется сразу же струей деионизо-
ванной воды, подающейся на поверхность пластины.
Разламывание пластин после скрайбирования. Основано на создании растя-
гивающих усилий, которые вызывают появление трещин вдоль нанесенных ри-
103
Рис. 2.36. Схема полуавтомата лазер-
ного скрайбирования ЭМ-220:
1 — загрузочное устройство; 2 — лазер; 3 —
телевизионный датчик; 4 — видеоконтрольное
устройство; 5 — блок зеркал; 6 — телескоп;
7 — датчик высоты; 8 — позиционер
сок. Для разламывания пластин изги-
бающее напряжение подсчитывается по
формуле j
S= (mh2jkbl2) = (m/kb) (/i/Z)2,
где m — изгибающий момент; h — дли-
на ребра кристалла, получаемого при
скрайбировании; b — ширина пластины;
I — толщина пластины; k — коэффи-
циент.
Величину (/i/Z)2 называют показа-
телем способности к разламыванию. Его
оптимальное значение должно быть
равно 24.
Для разламывания пластин на кри-
сталлы применяют следующие способы:
1. Пластины после скрайбирования
наклеивают на фольгу из пружинной
стали толщиной 100 мкм либо на поли-
мерную пленку — основание и разламы-
вают путем сгибания фольги или плен-
ки по определенному радиусу.
2. Пластину с нанесенными рисками помещают между двумя листами фоль-
ги. Всю сборку располагают на мягкой подложке рисками вниз. Путем нажа-
тия на обратную сторону пластины ее разламывают.
3. Пластину с рисками помещают на резиновое основание и прокатывают
сверху резиновым валиком в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
4. Скрайбированные пластины помещают в конверт из пластичного мате-
риала. Конверт вакуум плотно закрывают и из него откачивают воздух, в резуль-
тате чего возникает механическое воздействие на пластины и происходит их
разламывание.
Параметры существующих методов разделения полупроводниковых пластин
приведены в табл. 2.12, а внешний вид кристаллов после разделения пластин
представлен на рис. 2.37.
Для оценки качества скрайбирования применяют оптический метод. При
скрайбировании возникают механические напряжения и микротрещины, распро-
страняющиеся во все стороны от надреза, которые могут привести к разруше-
нию кристаллов. Для их исследования применяют метод рентгеновской секцион-
ной топографии с использованием узкого (~ 10 мкм в плоскости образца)
первичного пучка рентгеновских лучей. Метод обеспечивает высокое разрешение
Рис. 2.37. Внешний вид
кристаллов после разде-
ления пластины скрайби-
рованием (а), фрезеро-
ванием (6) и лазерной
резкой (в)
104
Таблица 2.12. Характеристики методов разделения
полупроводниковых пластин
Параметр Метод разделения
Скрайбирование алмазным резцом Скрайбирование лазерным лучом Резка диском
Обрабатываемый мате- риал Есть ограниче- ния Любой Любой
Максимально возможная скорость обработки кремния, мм/с 60 500 300
Максимальная скорость, обеспечивающая нор- мальное качество раз- деления, мм/с 25...60 200 До 150
Глубина реза, мкм 1...5 50... 170 10...500
Ширина реза, мкм 1,555 20..35 30...50
Обработка пластин с окислом Не рекоменду- ется Легко осущест- вима Возможна
Качество граней кри- сталла Удовлетвори- тельное Удовлетвори- тельное Хорошее
Направление движения инструмента Односторон- нее Двустороннее Возможно дву- стороннее
Требования к точности кристаллографической ориентации Жесткие Умеренные
Загрязнение поверхности пластины продуктами испарения Незначитель- ное Весьма сущест- венное Умеренное
Максимальный выход годных схем после раз- деления, % 98 99,5 99,5
и большую чувствительность к механическим напряжениям. Секционные топо-
граммы позволяют изучать распределение несовершенств по толщине кристалла
на любом его участке.
Глава 3
Полупроводниковые подложки и физико-химические
методы обработки их поверхности
3.1. Требования к полупроводниковым подложкам
Полупроводники в виде пластин или дисков, вырезанных из монокристаллов,
называются подложками. В их объеме и на поверхности методами травления,
окисления, диффузии, эпитаксии, имплантации, фотолитографии, другими техно-
логическими приемами формируются элементы микросхем электронных приборов
и устройств.
Состояние поверхности подложки влияет на параметры изготовляемых при-
боров. Основные требования к полупроводниковым подложкам на основе крем-
ния и германия представлены в табл. 3.1.
Качество поверхности подложки определяется ее микрорельефом (шерохова-
тостью), кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степенью их
105
Таблица 3.1. Основные требования к подложкам из кремния и германия
Характеристика подложки Требования Процессы и операции, для которых критично данное требование
Точность кристаллогра- ±1...2° (±30') Окисление, травление,
фической ориентации Допуск по толщине эпитаксия, диффузия Совмещение и экспони-
Клиновидность (непа- ±0,5% рование, скрайбирование То же
раллельность плоско- стей) Неплоскостность, мкм 1...2 »
Прогиб пластин, мкм 4...6 »
Шероховатость поверх- ности сторон (высота микронеровностей), мкм: рабочей Менее 0,05 Весь технологический
нерабочей Механические загрязне- Менее 0,1 Недопустимы процесс То же
ния Дефектность приповерх- Полное отсутствие на- Окисление, диффузия,
ностного слоя рушенного слоя и меха- эпитаксия и др.
Адсорбированные при- нических упругих напря- жений Плотность дислокаций не выше объемной Менее 1О12...1О14 для раз- Диффузия, эпитаксия и
меси (атомы, ионы), личных элементов эксплуатация готовых
см-2 Молекулы (монослоя) Менее одного монослоя приборов
Таблица 3.2. Глубина нарушенного слоя, мкм, пластин распространенных
Вид обработки Условия обработки Si Поверх Ge
Резка алмазным кругом Зернистость режущей кромки 20...30 35...40
с внутренней режущей АСМ 60/53; п=4000 мин-1;
кромкой Шлифование подача 1 мм/мин
Свободный абразив:
суспензии порошка ЭВМ-10 11...15 12...16
ЭБМ-5 7...9 7...9
Шлифование, полирова- Связанный абразивный круг 14...16 15...17
ние АСМ-28 Алмазная паста:
АСМ-3 6...9 9...10
АСМ-1 5...6 6...7
АСМ-0,5 1...2 3...5
Химико-механическое по- Суспензия аэросила, SiO2 (зер- 1...1,5 1...1.5
лирование но 0,04...0,3 мкм) Суспензия ZrO2 (0,1...0,2 мкм) 1
Суспензия а — А12О3 — —-
(0,05...1 мкм) Суспензия цеолита 1...2 1...2
106
физико-химической чистоты. Поверхность подложки характеризуется неплос-
костностью и непараллельностью. Высокие требования предъявляются и к об-
ратной— нерабочей — стороне подложки. Неодинаковая и неравноценная обра-
ботка обеих сторон подложки приводит к дополнительным остаточным меха-
ническим напряжениям и деформации кристалла, что обусловливает изгиб
пластин.
После механической обработки в тонком приповерхностном слое подложки
возникает нарушенный слой. По глубине он может быть разделен на характер-
ные зоны. Для кристаллов Ge, Si, GaAs и других после их резки и шлифования
на глубине 0,3...0,5 средней высоты неровностей расположена рельефная зона,
в которой наблюдаются одинаковые виды нарушений и дефектов монокристал-
лической структуры: монокристаллические сколы, невыкрошившиеся блоки, тре-
щины, выступы и впадины различных размеров. Методами электронной микро-
скопии обнаружены также микротрещины, концы трещин, выходы дислокаций,
дислокационные петли и сетки, точечные и другие дефекты в зоне трещин,
протяженность которой в 3...6 раз больше, чем первой рельефной зоны (рис. 3.1).
Наличие трещин во второй зоне приводит к появлению в слое, лежащем под
ней, других напряжений и дислокаций, плотность которых монотонно уменьша-
ется с глубиной. После резки дефекты располагаются в основном под следами
от режущей кромки алмазного диска в виде параллельных дорожек из скоп-
лений дефектов, в шлифованных кристаллах — равномерно по сечению. При по-
лировании первый слой представляет собой поверхностные неровности, относи-
тельно меньшие, чем при шлифовании (рис. 3.2), и в отличие от шлифованной
поверхности он является аморфным. Второй слой также аморфный, его глубина
в 2...3 раза больше, чем поверхностные неровности. Третий слой является пере-
ходным от аморфной структуры к ненарушенному монокристаллу и может
содержать упругие или пластические деформации, дислокации, а в некоторых
случаях и трещины. Оценка усредненной глубины нарушенного слоя у разных
полупроводников после различных видов механической обработки приведена
в табл. 3.2.
В процессе обработки и подготовки поверхности подложек полупроводников
необходимо создание совершенных поверхностей, имеющих высокую степень
плоскопараллельности при заданной кристаллографической ориентации, с пол-
полупроводниковых материалов после различных видов механической обработки
ность (111)
GaP GaAs InP InAs GaSb InSb
30 34...42 30...45 50...70 60...80 100... 150
10...15 7...9 15...17 25 10 17...19 20...25 9...11 19...21 20...25 12...15 17...20 25..28 18...21 17...19 28...32 20...26 20..24
11...12 11...13 11...13 10...14 15. .19 25...35
7...8 8...9 8...11 7...11 8...16 17...20
4...5 5...6 5...7 4...6 6...9 15...17
1 2...3 1...3 2...3 5...8 10...15
2...3 1 — — — 10...12
3 — —• — — —
— 1 — — — 1...5
107
Рис. 3.1. Строение нарушенного слоя
(НС) полупроводниковой подложки
после резки и механического шли-
фования:
1 — рельефно-поликристаллическая зона;
2 — зона трещин; 3 — зона упругих на-
пряжений и дислокаций; 4 — зона повы-
шенной плотности дислокаций
Рис. 3.2. Строение нарушенного слоя
(НС) полупроводниковой подложки
после механического полирования:
/ — аморфно-рельефная зона; 2 — аморф-
ная зона с трещинами; 3 — деформиро-
ванная зона с повышенной плотностью
дислокаций
ным отсутствием нарушенного слоя, минимальной плотностью поверхностных
дефектов, дислокаций и т. д. Поверхностные загрязнения должны быть мини-
мальными.
3.2. Методы контроля качества полупроводниковых подложек
Контроль параметров подложек и нарушенного слоя монокристаллов. Ме-
тоды контроля ориентации, качества и геометрических параметров полупровод-
никовых подложек приведены в табл. 3.3.
Для излучения микрорельефа поверхности пластин и эпитаксиальных струк-
тур применяют метод голографической интерферометрии на установке УИГ-2М.
С ее помощью измеряют напряжение, возникающее на различных стадиях меха-
нической обработки пластин, величину и направление изгиба пластин, а также
разброс значений прогибов выращенных на них эпитаксиальных структур.
Контроль и исследование нарушенного слоя монокристаллов состоит из
нескольких этапов, включающих применение метода, чувствительного к нару-
шениям и дефектам кристаллической решетки (табл. 3.4), и методов послойного
удаления этих нарушений. Для исследования свойств нарушенного слоя и его
толщины, качества обработанных подложек, кинетики роста и травления пле-
нок окислов на Si и полупроводниках типа AniBv используют методы эллипсо-
метрии (эллипсометрические микроскопы ЛЭМ-5 и ЛЭМ-6). Контроль плоскост-
ности поверхности подложек осуществляют лазерными телевизионными интер-
ферометрами УКП-2 и ЛИТ-1.
Контроль технологических сред. К технологическим средам, применяемым в
микроэлектронной технологии, относятся различные органические растворители,
водные моющие растворы с добавками ПАВ, составы для травления и поли-
рования подложек, вода различной степени очистки, активные газы (азот,
водород, кислород), инертные газы (гелий, неон, аргон), окружающая среда
(воздух, вакуум), в которой проводятся различные процессы изготовления под-
ложек -и интегральных микросхем (ИС). Методы контроля технологических сред,
применяемых в производстве полупроводниковых приборов и ИС, приведены
в табл. 3.5.
Контроль чистоты поверхности подложек (табл. 3.6). Для контроля очистки
подложек от органических гидрофобных загрязнений используются методы
смачивания и трибометрический метод. Данные количественных измерений три-
бометрическим методом носят относительный характер, так как калибровка
108
Таблица 3.3. Методы контроля параметров полупроводниковых подложек
Контролируе- мый параметр Метод контроля Краткая характеристика метода Используемые приборы И оборудование
Ориентация Рентгенов- Измерение разности уг- Дифрактометры УРС-50 ИМ, УРС-25 И,
ский лов падения и отраже-
Оптический ния рентгеновского из- лучения. Точность ори- ентации ±(2...6) Измерение отраженного УРС-70К1 Установка ЖК778-08
Толщина. Механиче- пучка света от фигур травления поверхности полупроводника. Точ- ность ориентации ±(15...30) Измерение толщины на Индикатор ИЧ-1. Стой-
Непарал- ский кон- плоском столе много- ки и штативы для изме-
лельность троль оборотным индикатором рительных головок. Ло-
плоскостей часового типа с ценой кальная линейка типа
(клиновид- деления 1 мкм. Точность ЛД. Универсальный из-
ность). Не- измерения ±1 мкм. Из- мерительный микроскоп
плоскост- мерение непараллельно- УИМ-21; УИМ-23
ность. Про- гиб Оптико-ме- сти, неплоскостности и прогиба — по световому зазору между подлож- кой и ребром локальной линейки Измерение толщины и Оптиметры ИКВ, ИКПВ.
ханический прогиба на столике с по- Пластины плоские стек-
контактный мощью кольца-подстав- лянные для интерферен-
Фотоэлект- ки. Точность измерения ±0,5 мкм. Определение неплоскостности и непа- раллельности по интер- ференции между плоской стеклянной пластиной и подложкой. Точность измерения ±1 мкм Измерение толщины и ционных измерений ПИ60, ПИ80. Пластины плоскопараллельные стеклянные для контро- ля плоскостности и плоскопараллельности типа ПМ-15, ПМ-40 Установка ФИП-2, ин-
рический прогиба подложек по дуктивные датчики
Шерохова- контакт- ный и бес- контакт- ный Механиче- электрической, световой •или звуковой индикации при замыкании цепи Измерение шероховато- Профилографы, профи-
тость по- ский кон- сти поверхности ощупы- лометры блочной конст-
верхности тактный ванием алмазной кони- рукции завода «Калибр»
Оптический ческой иглой. Точность измерения ±(5...16)% Измерение интерферен- моделей 201, 202, 252, 253 Микроинтерферометры
Сравни- ции пучка света на по- лированной поверхности подложки. Точность из- мерения 0,01 мкм Сравнение полирован- МИИ-4, МИИ-11. Пла- стины плоские стеклян- ные для интерференци- онных измерений ПИ60, ПИ80 Эталоны чистоты (об-
тельный бес- ной поверхности под- разцы шероховатости
контакт- ложки с эталонными об- поверхности)
ный разцами. Точность изме- рения ±(0,5...1) мкм
109
Таблица 3.4. Методы контроля и исследования глубины нарушенного слоя
полупроводниковых подложек
Метод контроля Краткая характеристика Возможности метода
Химическое травление Измерение скорости хими- ческого травления подлож- ки в зависимости от вре- мени или глубины травле- ния. Точность зависит от выбранного состава трави- теля Позволяет определить суммарную глубину на- рушенного слоя, включая ре льефно-по ликриста л - лическую или аморфную зону трещин, а также упруго напряженную зо- ну и область повышен- ной плотности дислока- ций. Необходимо соблю- дать временной цикл в процессе травления и иметь соответствующий травитель
Электрохимическое травление или метод стационарных потен- циалов Измерение вольт-амперной характеристики растворе- ния подложки Позволяет определить глубину нарушенного слоя без прерывания процесса травления
Оптические методы: металлографиче- ский, поляризацион- ный инфракрасный Подготовка образца путем изготовления шлифа, трав- ления или декорирования, воздействия селективного травителя Позволяет определить суммарную глубину (рельефно-поликристал- лический) нарушенного слоя и глубину отдель- ных зон
Дифракционные ме- тоды: рентгенотопо- графический, электро- нографический, элект- ронно-микроскопи- ческий Измерение дифракции рент- геновских лучей и изучение дифракционной картины проходящих и отраженных пучков (методы Ланга, Бормана, двухкристального спектрометра и др.); изуче- ние дифракционной карти- ны пучка электронов (бы- стрых и медленных) на про- свет, на отражение, реплик с поверхности и др. То же
Контроль скорости поверхностной реком- бинации Измерение скорости поверх- ностной рекомбинации на подложках после травления на различную глубину : Позволяет определить глубину зон рельефно- поликристаллической и трещин
Метод измерения ме- ханических свойств подложек Измерение упругих напря- жений: изгиба подложки, прочности образцов, мик- ротвердости и др. То же
110
Таблица 3.5. Методы контроля чистоты технологических сред, применяемых
в производстве полупроводниковых приборов в интегральных микросхемах
Метод контроля Объект контроля (технологическая среда) Пределы обнаружений загрязнений, мкг/см2
органи- ческих неоргани- ческих
Люминесцентный при комнатной и низких температурах Органические раствори- тели, воздух, водород, инертные газы * 2...10-*
Полярографический (АПН и ППН)** и пе- ременно-токовая поля- рография Деионизованная вода 1 1О-2...1О-4
Спектрометрический спектральный, атомно- абсорбционный (пламен- ный и кюветный вариан- ты), кинетические Все реагенты для хими- ческой обработки и фи- нишной очистки полу- проводниковых пластин —• ОД...10-3 10...10-3 10-2..10-4
Кондуктометрический Измерение удельного сопротивления жидких сред Деионизованная вода, органические раствори- тели — IO-’...Ю-3 10-2..10-*
Г азохроматографиче- ский Инертные газы, водород, азот ю-« ..10-* 1О-3...1О-4
Потенциометрический Масс-спектрометриче- ский Пьезокварцевое микро- взвешивание сухого ос- татка жидкостей (селек- тивный метод) Деионизованная вода Органические раствори- тели, вода, кислород, другие жидкие реагенты для химической обработ- ки и финишной очистки пластин — lO-L.lO-2 io-3...io~4 ю-4...ю-5 Суммарное содержание примесей, включая взве- шенные частицы субмик- ронных размеров
Микровзвешивание аэро- зольных частиц, осаж- денных на пьезокварце- вые датчики (неселек- тивный метод) Окружающая среда — инертные и другие газы, используемые для очи- стки Содержание взвешенных частиц, включая частицы субмикронных размеров
Фотоэлектрический То же То же
* При контроле органических загрязнений в газах они предварительно концентрируются
методом конденсации или абсорбции.
** АПН — амальгамная полярография с накоплением; ППН — пленочная полярография
с накоплением.
ш
Таблица 3.6, Методы контроля содержания органических и неорганических
загрязнений и их чувствительность
Метод контроля Чувствительность к загрязнениям, мкм/см2
органическим | неорганическим
Смачивание: измерение угла смачивания Ы0->...110-2 —
наблюдение за конденсацией 2-10-2...2- Ю-з —
или распылением воды Люминесцентный Трибометрический Кондуктометрический 2-IO-'...З-10-» Ы0-1...1 • Ю-з 1 • 10~1
Потенциометрический — Ы0~1
Спектральный (прямой) и хи- 1-10-1 1-10-1...Ы0-2
мико-спектральный Каталитическое сжигание ор- ганических загрязнений Оптическая и УФ-микроскопия 5-10-1 Качественные оп- Качественные оп-
Оптический поляризационный ределения То же ределения То же
Электронная микроскопия »
Масс-спектрометрический (при 1-10-2...1-10-3 1 • 10~2...1 • 10~3
электронной или ионной де- । сорбции поверхностных загряз- нений) Радиохимический (с примене- 1-10-2...110-з ыо-з...ыо-4
нием радиоактивных индика- торов), радиография и нейт- ронно-активационный анализ ИК-спектроскопия *
Магнитная резонансная спект- — —
роскопия * Распределение конденсаторной
фото-ЭДС * Дифракция медленных элект-
ронов * Электронно-эмиссионная спект-
роскопия (измерение работы выхода электрона)* Фотоэмиссионная спектроско-
пия * Малоугловая дифракция элект-
ронов высокой энергии * Эллипсометрия ♦ —
Электронная Оже-спектроско- — —
пия * * Метод позволяет проводить иссле; хования адсорбированных слоев на уровне монослоя.
112
прибора производится по определенному виду загрязнений (например, по олеи-
новой кислоте). Относительными являются также результаты количественных
определений чистоты, полученные люминесцентными, спектрофотометрическими
методами, методами смачивания.
Эффективен неразрушающий метод, основанный на регистрации спектра
оже-электронов, при котором информация о химическом составе поверхности от-
носится именно к тонкому приповерхностному слою полупроводника толщиной
Методы исследования поверхности, основанные на дифракции медленных
электронов, электронно- и фотоэмиссионной спектроскопии, малоугловой диф-
ракции электронов высокой энергии, эллипсометрии, дают широкую информацию
о поверхностных явлениях, протекающих в процессе той или иной обработки.
Однако они сложны, и их применяют при разработке новых технологических
процессов очистки.
3.3. Физико-химические методы обработки поверхности
полупроводников
Классификация физико-химических методов обработки поверхности полу-
проводников представлена на рис. 3.3.
Методы физико-химической обработки полупроводниковых подложек вклю-
чают предварительную, межоперационную и финишную очистку поверхности от
органических и неорганических загрязнений. Очистка проводится в жидкой или
парогазовой среде с интенсификацией процесса механической обработки поверх-
ности подложек ультразвуком, низкотемпературной плазмой, термическим на-
гревом в вакууме, ионной бомбардировкой и др. Физико-химические методы
обработки поверхности полупроводников включают химико-механическое, хими-
ческое травление и химико-динамическое полирование (ХДП), электрохимическое
и плазмохимическое травление, осаждение и др.
Химико-механическое полирование (ХМП). Заключается в совместном воз-
действии химически активной (травящей) среды и механических частиц или
мягкого полировальника. Продукты химической реакции удаляются механически,
при этом открываются микротрещины, на которых реакция ускоряется (эффект
притирки). Давление диска воздействует на микровыступы, на которых усили-
вается реакция (эффект давления), вращение полировальника и подача свежего
раствора способствуют смыванию продуктов реакции (эффект перемешивания
и очистки).
Химико-механическое полирование проводят абразивными (суспензии, со-
держащие двуокиси кремния, циркония, титана, цеолит и др.) и безабразивными
составами (раствор гипохлората натрия, брома в метаноле и др.). На практике
используют аморфные сублимированные дисперсные порошки оксидов типа
SiO2, ZrO2 с размером частиц 0,04...0,12 мкм. Химически активной средой для
приготовления суспензий служат щелочные и кислотные растворы с окислите-
лями. Для химико-механического полирования кремния и германия применяют
щелочные растворы КОН и NaOH, хорошо растворяющие оксиды этих эле-
ментов.
Для повышения качества полировальной поверхности полупроводников и
стабилизации суспензии в нее вводят различные ПАВ. Так, при использовании
в водной суспензии частиц отрицательно заряженного оксида кремния (IV) в
нее вводят катионо-активные вещества (например, алкамон) и положительно-
заряженные частицы — анионо-активные вещества (например, алкилсульфат
натрия). Для повышения вязкости в суспензии добавляют глицерин, этилен-
гликоль и др. Безабразивные суспензии представляют собой растворы, содер-
жащие ионы двухвалентной меди, гипохлорит натрия, бром в метаноле и др.
Для финишного полирования суспензии используют концентрации Т: Ж=
= 1 : (10...50), а для суперфинишной Т :Ж=1 : (50...200).
На операциях финишного и суперфинишного полирования большое влияние
на качество поверхности оказывают свойства полировального полотна. Оно
должно обладать высоким сопротивлением разрыву, стойкостью к истиранию
в химической среде и определенной пористостью (350...400 пор./мм2). Чаще
3 Заказ № 1270
113
Планарные и планарно- эпитаксиальные технологические процессы изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Рис. 3.3. Классификация физико-химических методов обработки поверхности полупроводников
всего в качестве полировальных полотен применяют различные виды электро-
статической замши или синтетической кожи, нетканые материалы и др.
Примерные режимы химико-механического полирования элементарных полу-
проводников абразивными суспензиями: удельное давление полировального кру-
га 10~2 МПа, частота вращения 100 мин-1, температура 573 К, расход суспен-
зии 120 капель/мин. При использовании безабразивных суспензий (табл. 3.7)
удельное давление полировального круга 10~2 МПа, частота вращения
60...100 мин-1, температура 293±2К. При обработке пластин кремния безабра-
зивной суспензией, содержащей Cu(NO3)2 в концентрации 1,..1,6 моль/л и NH4F
в концентрации 6...7 моль/л с рН=5,5...6,5, достигается высота неровностей
/?г=3-10-2 мкм. Таким образом, получают пластины с практически бездефектной
структурой поверхности и остаточной поверхностной концентрацией меди менее
1-Ю15 атом/см2.
Химико-механическое полирование полупроводниковых соединений типа
AmBv с использованием суспензий различного состава проводят с удельным
давлением полировального круга (1,4...3,0) • 10-3 МПа, частотой вращения
40... 100 мин-1 и расходом суспензии 50...60 капель/мин. Однако такое полиро-
вание даже при снятии слоя толщиной, значительно превышающей глубину
нарушенного поверхностного слоя, всегда оставляет на поверхности пластины
нарушенный слой глубиной 5... 10 мкм. Поэтому перед процессом эпитаксиаль-
ного наращивания подложки полупроводниковых соединений AinBv подвергают
химическому полированию, травлению газовыми средами или расплавленными
металлами непосредственно в эпитаксиальных установках.
Характеристика композиций при ХМП для Ge, Si и соединений типа
AnlBv приведена в табл. 3.7.
Методы химического травления. Основаны на процессах растворения мате-
риалов:
изотропное — растворение полупроводника с одинаковой скоростью травле-
ния по всем направлениям монокристалла; применяют для удаления нарушен-
ного поверхностного слоя и полирования поверхности;
анизотропное — растворение полупроводника с различной скоростью по раз-
ным направлениям монокристалла; используют для металлографического и
оптического исследования структурных поверхностных и объемных дефектов;
селективное — растворение полупроводника с различной скоростью на раз-
ных участках поверхности с одной и той же кристаллографической ориентацией
подложки (либо с различными скоростями травления слоев разного химического
состава в избирательных травителях); выявляются дефекты и несовершенства
кристаллической структуры подложек (дислокация, дефекты упаковки, границы
зерен и др.). Декорирующее и окрашивающее химическое травление — разно-
видность селективного травления — используют для исследования плотности и
распределения дислокаций, их природы и механизма образования, для выявления
р—n-переходов, пазличных фазовых включений;
локальное —• удаление материала лишь со строго ограниченных и заданных
участков подложки; обеспечивает получение кристаллов определенной конфигу-
рации, заданного рельефа на поверхности подложек; позволяет создавать не-
обходимый рисунок схемы (проводить мезатравление, создавать заданную кон-
фигурацию в пленочных покрытиях). Для локального химического травления
используют изотропные и анизотропные травители;
послойное — равномерное последовательное снятие тонких поверхностных
слоев полупроводника после ионной имплантации, диффузии легирующей приме-
си; применяют для изучения поверхностных и объемных дефектов кристалличе-
ской структуры подложек и эпитаксиальных слоев. Используются полирующие
травители с малой скоростью травления (менее 0,1 мкм/мин).
Химическое полирование. Процесс поверхностного химического травления,
при котором сглаживаются неровности подложки, т. е. уменьшается шерохова-
тость. При химическом полировании с поверхности подложки удаляется нару-
шенный слой, остающийся от механической обработки, происходит очистка от
посторонних включений, загрязнений и различных пленок. Возможно уменьшение
толщины подложек, задание необходимых топологических рельефов поверхности
и геометрических размеров.
8*
115
Таблица 3.7. Характеристика композиций для химико-механического
полирования полупроводниковых подложек
Способ КОМПОЗИЦИЙ pH среды Скорость полирования мкм/мин Средняя высота неровностей после ХМГЦ мкм Обрабатываемый материал
Z гО2 4- диэтанол- амин-1- Н2О2 9 0,02...0,5 Не более 0,05 Si, Ge Ga, As, InAs, InSb
$Ю2+Н2О2+КОН 13 1,5...2,5 To же
100...200 г SiO24-50... 300 мл Н2О (30%) 4- 4-100...200 мл КОН (20%) 4-50... 300 мл С4Н60в (на- сыщенный) 4-150... 200 мл глицерина на 1 л Н2О 10...11 0,06. ..0,1
SiO24-H2O24-HCl 2 1,2...2,5 Si, Ge, GaAs
SiC+KOH (10%) 10 0,05 Si, Ge
0,3 моль/л Cu(NO3)24-6,8 моль/л nh4f 6,5 1...1.5 0,05 Si, Ge
1...5* В/2 в СНзОН — 0,05.0,1 0,08; риски GaAs, InSb, InP
1...10* Вг2 в С2Н5ОН — 0,03...0,05 0,1; риски GaAs
1...10* Вг2 в С3Н7ОН — 0,03...0,05 0,1...0,15; риски GaAs
1...10*Вг2в СНзСООН — 0,10...0,15 0,2; риски GaAs
ZrO24-K3[Fe(CN)6] — 0,15...0,5 0,1...0,2; риски GaAs, GaSb
ZrO24-NaOCl (т: ж= = 1:4) 8,5 0,3...0,5 0,05 >
Сг 20з 4- Н2О2: :NH4OH:H2O 8 : 0,5 : 30 (в объем- ных частях) — 0,03...0,05 0,08 GaAs, InSb, CaSb, InAs
Паста АСМ=0,54-16г КОН4-24 г K3[Fe(CN6)] 4- 4- 200 мл Н2О 10...11 —- 0,05 GaAs, GaP
NaOC14-0,025... 0,037 моль/л NaOH 10 — 0,01 GaAs, InAs, GaP
0,5...1,0** NaOCl в воде 0,8 моль/л 7.-8 0,2...0,4 0,05...0,08; риски Ge, GaAs
NaOC14-0,8 моль/л Na2CO3 8,5 1...1,5 0,03 GaAs
1 мл NH4OH (концен- трированная) 4-750 мл 9...10 —• 0,05 GaAs
116
Окончание табл. 3.7
Состав композиций pH среды Скорость полирования, мкм/мин Средняя высота неровностей после ХМП, мкм Обрабатываемый материал
Н2О2 (концентриро- ванная) 180 г цео- лита NaA***+50 мл (NH4)2CO3 (12%-ный)** + 20 мл Н2О2 — 1...2 0,05 GaAs
200 г ZrO2 (эл- плаз Ц)+300 млН2О2 (концентрирован- ная) 4-50..100 см* 3 КОН (50%)**-+- + 100 мл Н2О 8,5...9 0,5...1,0 0,05 GaAs, InAs
200 г цеолита NaA+ +10 г КМпО4+ + 1000 мл Н2О — — 0,05 То же
20 г SiO2+ 120 мл Н2О2 (концентриро- ванная) +250 см3 40%-ной** молочной кислоты — 0,1...0,3 0,05; риски InSb
200 г цеолита NaA+ + 5 г NH4F+4 мл Н2О2 (концентриро- ванная) на 1000 мл Н2О у— 0,06 InP
А120з: Н2О (т:ж = 1:5) 7...7,5 — 0,05 GaP
* Концентрация компонента в процентах по объему.
** Концентрация компонента в процентах по массе.
*** На 1 л суспензии.
Химическое полирование подложки проводят в условиях ламинарного потока
травителя относительно поверхности пластины. Для этого их помещают на
находящуюся в сосуде с травителем под-
ставку, в центральную часть которой не-
прерывно подают поток травителя (рис. 3.4).
Под его воздействием подложки приподни-
маются (подвешиваются) в течение всего
процесса травления. Это обеспечивает од-
новременное полирование обеих сторон
пластин, способствует переносу веществ
Рис. 3.4. Устройство для химико-динами-
ческого полирования подложек полупро-
водников типа «Конусу:
1 — подложка; 2 — шланг для подачи травителя;
3 — стакан; 4 — ограничители-упоры; 5 — под-
ложкодержатель; 6 — ведущий поясок
117
переносу веществ в растворе, ускоряет и стабилизирует процесс травления и
улучшает качество обрабатываемой поверхности.
Процесс химического полирования в гидродинамических условиях получил
название химико-динамического (ХДП). Скорость циркуляции травителя под-
бирают экспериментально с учетом геометрии сосуда с раствором. Для преры-
вания процесса травления травитель из сосуда быстро сливают и подают в
него большое количество проточной деионизованной воды с удельным сопротив-
лением 18..20 МОм. В другом случае раствор в сосуде постепенно вытесняют
проточной деионизованной водой. И, наконец, возможно быстрое извлечение
пластин из сосуда с травителем и перенос их в атмосфере инертного газа в
сосуд с проточной деионизованной водой. При этом необходимо сократить до
минимума время контакта свежепротравленной поверхности полупроводника с
окружающей его атмосферой.
Химико-динамическое полирование характеризуют следующие параметры:
скорость химического травления — толщина удаляемого слоя с подложки
за единицу времени;
стабильность скорости травления — постоянство скорости травления после
удаления нарушенного слоя подложки полупроводника, выражается в процен-
тах от начальной скорости;
микрорельеф — шероховатость поверхности — совокупность неровностей по-
верхности, образующих рельеф поверхности;
кристаллическое совершенство поверхности — полное отсутствие нарушенного
слоя, контролируется выборочно после химического травления подложек на за-
данную глубину травления;
физико-химическая чистота поверхности — уровень допустимых на поверх-
ности адсорбированных загрязнений, определяется числом атомов примесей на
единицу поверхности;
геометрические параметры подложек — толщина; отклонение от плоскостно-
сти и параллельности сторон подложек; геометрические параметры измеряются
в микрометрах при съеме по толщине не менее 10 мкм.
Химический состав полирующих травителей. В состав полирующих трави-
телей входят окислитель (HNO3, Н2О2, Fe3+, Cr2Oy~, галогены и др.), обес-
печивающий разрыв ковалентных связей полупроводниковых материалов, рас-
творитель (водные растворы неорганических кислот, щелочей или различные
органические среды: спирты, эфиры, карбониловые кислоты и др.) для растворе-
ния продуктов реакции. Улучшается растворимость продуктов реакции введе-
нием комплексообразователя (винная или лимонная кислота, ионы F“,
[Fe(CN)6]3“ и др.). Повысить вязкость можно введением глицерина. По при-
роде окисляющих агентов и растворителей различают несколько видов тра-
вителей:
кислотные: окислители HNO3, Н2О2, Fe3+ и другие среды, водные растворы
кислот HF, НС1, H2SO4, Н3РО4, НС1О4, СН3СООН;
щелочные: окислители Н2О2, галогены (Cl2, Br2, J2), гипохлорит и гипобро-
мат натрия или калия, комплексные ионы [Fe(CN)6]3~ среды — водные раство-
ры КОН, NaOH, NH4OH и др.
Растворы галогенов (С12, Br2, J2) в воде в органических растворителях
(спирты, эфиры).
Для проведения ХДП грубо обработанных поверхностей (средняя высота
неровностей около 2...5 мкм) применяют травители с большой скоростью трав-
ления, при 0,1...0,2 мкм — с меньшей скоростью полирования. Рекомендуемые
значения глубины и скорости ХДП поверхности подложек кремния после раз-
личной механической обработки приведены в табл. 3.8. Для ХДП подложек
Si и Ge используют травители, состав которых приведен в табл. 3.9. Составы
травителей для соединений типа AinBv даны в табл. 3.10.
После ХДП проводят промывку подложек в деионизованной воде, а затем
их поверхность стабилизируют в различных фиксирующих растворах, например
сульфиде натрия, этилендиаминтетрауксусной кислоте или растворах ее солей
с последующей сушкой в потоке чистого сухого воздуха центрифугированием
или нагревом инфракрасным излучением.
Поверхность полупроводников после ХДП обладает повышенной актив-
ностью, что приводит к появлению на ней окисной пленки. Толщина ее для
118
Таблица 3.8 Расчетные и экспериментальные значения глубины и скорости
химического полирования подложек из кремния
Механическая обработка подложек Требуемая глубина хи- мического полирования, мкм Скорость полирова- ния, мкм/мин Время полирования, мин
расчетная экспери- менталь- ная
Шлифование свободным абра- зивом ЭБМ-5 Алмазное полирование: 45...50 55...60 6...8 7...8
АСМ-3 20...25 25...30 5...7 5..6
АСМ-1 10...15 20..25 3...5 3...5
АСМ-0,5 5...10 15...20 3...5 3...4
Оптическое полирование сус- пензий окиси хрома 5...10 10...15 2...3 2...3
Химико-механическое полиро- вание щелочной суспензией аэросила 3...5 5...10 2...3 2...3
Примечание. Si марки КДБ-14 и КЭФ-7, ориентация поверхности по (111), толщи-
на подложек ОД мм; состав травителя HNO3 : HF : СН3СООН=8 ; 1 : 1 (в объемных частях).
Таблица 3.9. Состав травителей для ХДП подложек из Si и Ge
Состав травителя, объемные части Т, к Скорость полирования, мкм/мин Качество поверхности, высота микронеровностей, Rx, мкм
HNO3: HF : СНзСООН 3:1:1 5:1:1 8:1:1 10 : 1 : 1 20 : 1 : 1 40: 1 : 1 9:2:4 Кремний 293 8 293 5 293 4 293 3,5 293 1,5 293 1 293 7 Зеркальная; 0,08 Зеркальная; 0,06 Зеркальная; 0,05 Зеркальная; 0,03...0,05
Германий
HNO3: HF : СНзСООН 8:5: 15 343 20 Волнистая; 0,1
5 : 8 : 15 338 6,5 То же
1:1, 5:3 293 2,5 Зеркальная; 0,06...0,08
КОН (3,5%)* : Н2О (концент- рированная) 10: 1 293 0,1 Зеркальная; 0,05
♦ Концентрация в процентах по массе.
119
Таблица 3.10. Составы травителей для ХДП полупроводниковых подложек
типа AinBv ориентаций (111), (100) и (110)
Состав травителя* Г, к Скорость полирования, мкм'мин Качество поверхности, высота микронеровностей Rz, мкм
H2SO4: Н2О2: Н2О Арсенид галлия
3:1:1 343 8...10 Зеркальная; 0,02
4:1:1 298 1,5 То же
5:1:1 298 1,0 »
7:1:1 298 0,8 »
18: 1 : 1 298 0,2 »
1 : 1 : 100 298 0,03 Зеркальная; 0,04
2...5 Вг2 в СНзОН ** 298 3...5 Зеркальная; 0,03
1 : 1,3 моль/л Кз[Ре(СМ)6] в 0,3...0,5 моль/л КОН HNO3: HF : Н2О 333...353 2...5 Зеркальная; 0,05
3:1:2 298 30 Поверхность типа «апельсиновой корки»
1:5:0 333 10 Волнистая; 0,05...0,06
1:4:2 HNO3: Н3РО4: H2SO4: Н2О 298 3 Небольшие ямки, бу- горки; 0,06
2: 14: 11 :3 298 5 Зеркальная; не более 0,09
КОН : Н2О2
5: 1 298 3 То же
20: 1 298 1 »
Н3РО4: Н2О2: Н2О
3: 1 : 50 NH4OH : Н2О2: Н2О 298 0,1 Зеркальная; <0,09
1 : 20 : 0 298 3 Волнистая; >0,06
2:5:3 298 10 Слегка волнистая; 0,05
Н2О2: HF : NH4F
(15...26) : (4...6) : (67...80) 293 0,5 Зеркальная; 0,07
1..20 Вг2 * в СНзСООН 293 2...10 Арсенид индия Слегка волнистая; 0,08
1,5...2,0 Вг2 ** в СНзОН 293 2...3 Зеркальная, ровная; <0,02
HNO3: HF : H2SO4 Зеркальная: <0,02
1,5 : 1 : 1 293 10
7:1:1 293 8 То же
HNO3: HF : Н2О
3:1:2 Н2О2: HF : С4Н4Об 293 2,5 Зеркальная; 0,06
14 : 1 : 20 293 2 Зеркальная; 0,07
120
Продолжение табл. 3.10
Состав травителя* Г, к Скорость полирования, мкм/мин Качество поверхности, высота микронеровностей &z. мкм
HNO3: HF : СНзСООН : : Н2О : С4Н6Об 10 : 1 : 10 : 3 : 3 293 2 Зеркальная, неболь-
10:1:20:5 : 5 293 1 шие ямки травления; 0,06 То же
Вг2:этиленгликоль 1 : 10 293 2 Зеркальная; <0,05
Ас HNO3: HF : Н2О 3:1:2 штимонид галлия 293 1,5—3 Зеркальная; <0,08
Н2О2 : HF : Н2О 4: 1 : 15 293 1...4 То же
Вг2:этиленгликоль 1 : 10 293 2 Зеркальная; <0,06
Н2О2: HF : С3Н6О3 (20...60) : (20...60) : (5...40) 293 20...35 Зеркальная; <0,05
Н2О2: HF : С4Н6О4 14: 1 : 20 293 15...20 То же
Анн HNO3: HF : СНзСООН 10 : 1 : 20 чмонид индия 293 10 Зеркальная; <0,03
Н2О2: HF : С3Н6О3 (20...60) : (2...10) : (40...80) 293 4...20 Зеркальная; <0,03 Зеркальная; <0,02
4: 1 : 17 293 4...20
Н2О2: HF : С4Н6О6 14 : 1 : 20 293 12 Зеркальная; <0,03
Н2О2: HF : С4Н6Об (38...42) : (2...4) : (54...60) 293 6...8 Зеркальная; <0,06
HNO3: HF : Н2О2: С4Н6О6 1 :1 : 7:20 293 5...7 Зеркальная; <0,06
Кз[Ре(СМ)6] 0,8...1,0 моль/л Фосфид галлия 333...353 3...5 Зеркальная; <0,03
в 1,3 моль/л КОН Н2О—С12 (концентрация С12 293 0,3...0,5 Зеркальная
7,3 г/л) H2SO4: Н2О2: HF 1:1:2 293 5...6 Волнистая зеркаль-
3:2:2 293 4 ная, ямки травления То же
HNO3: НС1 1 :3 338 12...13 »
121
Окончание та б л. 3.10
Состав травителя* 1 Г, к 1 Скорость полирования, мкм/мин Качество поверхности, высота микронеровностей мкм
0,8...1,5 Вг2 ** в СНзОН Фосфид индия 298 2...6 Зеркальная; 0,03
3 : 1 HNO3: НС1 313...323 3...4 Зеркальная, имеются
HNO3: НС1: СНзСООН : Н2О 3 : 1 : 1 : 1 313 3...6 бугорки, точки Поверхность (100)
HNO3: НС1: НС1О4: : СНзСООН 6: 1 : 1 : 1 293 2,5...3 1ПР зеркальная; ^0,03; поверхность (111) шероховатая серая Поверхность (100)
3: 1 : 3 : 2 293 3...4 InP зеркальная; ^0,06; поверхность (111) шероховатая серая Поверхность (100)
Н2О2 : НС1 : СНзСООН 1:2:1 288 3...5 зеркальная, не ме- нее 0,06; поверхность (111) шероховатая серая Зеркальная; 0,08
* В объемных соотношениях компонентов. Концентрация реагентов ОСЧ, %; HNO3 —
70...72; HF —45...4Э; СН3СООН — 99,8 (ледяная); Н3РО4 — 85...88; НС1 —35...38;
НСЮ4 — 57; H2SO4 —93...95; Н2О2 — 30; NH4OH — 25; С3Н6О3 — 40; С4НвОв — 27.
** Концентрация компонента в процентах по объему.
♦** Используется для травления мезаструктур в гетероструктурах.
Si составляет 0,0015-..0,07 мкм, для Ge около 0,002 мкм. Полупроводниковые
соединения типа AinBv обладают повышенной чувствительностью к химиче-
ским обработкам в различных травителях. В табл. 3.11 приведены толщины ос-
таточных окисных пленок на GaAs после обработки пленок в разных трави-
телях, а в табл. 3.12 — толщины окисных пленок после химической обработки
подложек в растворителях и отдельных реагентах.
Межоперационная очистка поверхности полупроводниковых подложек. Слу-
жит для удаления загрязнений на различных стадиях изготовления подложек:
резки, шлифования, механической и химико-механической полировок. При меж-
операционной очистке удаляют механические загрязнения: пыль, абразивные и
металлические частицы, частицы волокна и т. д., а также органические загряз-
нения: смазки, приклеенные материалы.
Механические загрязнения с поверхности полупроводниковых пластин уда-
ляют гидромеханической промывкой. В ходе ее очищаемую поверхность обраба-
тывают кистями, лентами или валиками из нейлона, тефлона, мягкого меха
(беличьего, колонкового) с одновременной подачей сильной струи деионизован-
ной воды (рис. 3.5). В процессе очистки пластины на рабочем столе удержи-
вают с помощью вакуумных присосок. При одновременной двусторонней очистке
пластины удерживаются между двумя вращающимися валиками (рис. 3.5, д).
Для удаления органических загрязнений (обезжиривания и промывки пла-
стин и подложек) основным реагентом служит фреон-113. Для повышения каче-
122
Таблица 3.11. Толщина окисной пленки после обработки подложек GaAs
в травителях
Состав травителя и режим обработки Толщина окисной пленки, мкм
4:1:1* (323 К, 3 мин) 5
4:1:1 (323 К, 3 мин)-{-концентрированная HF (5 мин) 3
4:1:1 (323 К, 3 мин)-{-концентрированная HF 5 мин) +1 : 1** (303 К, 0,5 мин) 1
4:1:1 (323 К, 3 мин)-{-концентрированная HF (5 мин) 4-1:1 (303 К, 1 мин) 1
1 : 1 (328 К, 10 мин) 6
1 : 1 (328 К, 10 мин)-{-концентрированная HF 2,5
1 : 1 (328 К, 10 мин)-{-концентрированная HF4- 4-1:1 (303 К, 0,5 мин) 1,5
1 : 1 (328 К, 10 мин)-{-концентрированная HF4- 4-1:1 (303 К, 1 мин) 1
* 4 : 1 : 1 = H2SO4: Н2О2 : Н2О. Скорость травления 3 мкм/мин при 323 К.
** 1 : l=NaOH (1 моль/л) : Н2О2 (0,76 моль/л). Скорость травления 0,2 мкм/мин при
303 К и 1 мкм/мин при 328 К-
Таблица 3.12. Толщина окисной пленки после химической обработки
подложек GaAs в растворителях и реагентах
Реагент Толщина окисной пленки при различной продолжительности обработкг, нм
0 мин 5 мин 1 ч 24 ч
Трихлорэтилен 2,5 3,5 3,3 2,8
Ацетон 2,6 2,5 2,4 2,7
Метанол 3 2,3 2,3 2,5
Этанол 2,7 2,6 2,8 2,7
Изопропанол 2,5 2,3 2,3 2,4
Хлороформ 2,7 2,7 2,7 2,7
Вода Кислоты: 2,5 2,2 10,1 —
соляная * 2,4 1,2 1,6 2,8
соляная ** 2,7 1,3 —
серная * 2,8 1,2 2,7 20,6
фосфорная * 3 2,8 3,2 4,2
фтористоводород- ная * ♦ Последующая промывка ** Последующая промывка **♦ Поверхность окрасилась 1,7 . в деионизованной в метаноле 30 с. 2,2 воде 30 с. 23***
ства очистки к нему добавляют различные органические растворители (спирты,
ацетон и др.), образующие азеотропные смеси, например 3%-ный изопропило-
вый спирт. Из других реагентов наибольшее употребление находит азеотропная
смесь четыреххлористого углерода с 18% изопропилового спирта. Операции
обезжиривания или отмывки проводят в аппаратах, показанных на рис. 3.6.
Для интенсификации процесса на аппарат воздействуют ультразвуком. Отмытые
пластины полупроводников сушат центрифугированием или нагревом инфракрас-
123
Рис. 3.5. Принципиальные схемы рабочих узлов установок для гидромехани-
ческой очистки подложек полупроводников:
а — кистью; б — лентой; в, г — валиком на наклонном и горизонтальном столе соответст-
венно; д — одновременно с двух сторон
Слиб
вода
Ю
б
11
ь
12
13
Слад
б)
для промывки
в парах орга-
и в токе деио-
(б):
Рис. 3.6. Схемы устройств
подложек полупроводников
нических растворителей (а)
низованной воды
1 — съемный колпак из фторопласта; 2 — водо-
охлаждаемая крышка сосуда 6, соединенная с
ним шлифом 9\ 3 — кассета с подложками; 4,
5 — сосуд для сбора конденсата, снабженный
сифоном 8 для слива растворителя; 7 — элект-
ронагреватель в кожухе; 10 — крышка; 11 —
внутренний стакан; 12 — подставка; 13 — датчик
солемера
Деионизованная
бода
ным излучением. Характеристика процессов межоперационной очистки полу-
проводниковых пластин приведена в табл. 3.13.
Финишная (окончательная) очистка подложек служит для удаления по-
верхностных загрязнений непосредственно перед выполнением технологических
операций в производстве МЭУ.
Цель финишной очистки — получение реально чистой поверхности полупро-
водника, содержащей доли мономолекулярного слоя органических загрязнений
примесей ионов или ионов металлов n-типа 109...1012 см-2. Очистку проводят
124
Таблица 3.13. Характеристика процессов межоперационной очистки
в производстве полупроводниковых пластин
Процесс очистки Удаляемые загрязнения Моющие растворы Оборудование
Очистка пластин Клеящие мастики, Щелочные раство- Ультразвуковые
после резки моно- механические ча- ры с добавками установки для очи-
кристаллов стицы, обрабаты- ваемые материалы (кремниевая пыль и др.) ПАВ, деионизо- стки в щелочных ванная вода, че- растворах и в во- тыреххлористый де. Ванны для углерод, бензин- обезжиривания с галоша, азеотроп нагревом фреона-113 и ме- ТЧТ JTGLTV П/ЧПТЛ П О
Очистка пластин Остатки абразивов 1ИЛсНАЛUpИ Да Азеотроп фрео- Ультразвуковые
после шлифования после шлифования на-113 и метилен- установки для очи-
и механического и полирования, хлорида, трихлор- стки в органиче-
полирования. Очи- клеящие мастики, этилен, четырех- ских расТворите- хлористый углерод лях
стка полироваль- ных головок минеральные мас- ла-смазки
Очистка пластин после протирки нерабочей стороны Остатки воска Бензин-галоша, Ванны для обез- азеотроп фрео- жиривания с на- на-113 и метилен- гревом, улЬтразву- хлорида ковая установка для обезжирива- ния в органиче- ских растворите- лях, установки для обработки в парах растворителей
Очистка пластин Остатки травиль- Деионизованная Ванны для про-
после химического травления в сме- сях кислот ных растворов вода марки Б мывки в протоке деионизованной воды
Сушка пластин после промывки Остатки влаги — Центрифуги, су- шильные шкафы
промыванием подложек в растворах комплексообразующих реагентов, напри-
мер Н2О + НС1+оксиэтилендифосфорная кислота. Хорошие результаты дает
также кипячение подложек в растворах: кислотно-перекисных (КПР) (НС1:
:Н2О2: Н2О= 1 : 1 : 4) или аммиачно-перекисных (АПР) (NH4OH : Н2О2: Н2О=
= 1 : 1 :4).
В табл. 3.14 приведено содержание остаточных примесей металлов на по-
верхности кремния после финишной очистки различными способами.
Операцию финишной очистки проводят в особо чистых помещениях с ис-
пользованием реактивов особой чистоты и деионизованной воды марки А.
Для финишной обработки пластин соединений AinBv окислительные смеси
неприемлемы, так как они взаимодействуют с поверхностью полупроводника.
Поэтому их предэпитаксиальная очистка проводится путем удаления слоя тол-
щиной 30...50 мкм методами ХМП и электрохимического полирования с после-
дующей очисткой от остатков травителя в потоке деионизованной воды и суш-
кой в центрифуге. Примерная схема очистки поверхности полупроводниковых
подложек приведена ниже.
Предварительная очистка полупроводниковых подложек после ХМП:
промывка оправок с подложками горячей деионизованной водой с добав-
лением ПАВ и последующей сушкой на центрифуге;
удаление остатков воска, клея и др.;
125
Таблица 3.14. Содержание остаточных загрязнений металлов на поверхности
кремниевых пластин после финишной очистки
Остаточные поверхностные загрязнения zx-1012, см 2
Способ очистки Mg РЬ Мп Сг Fe Sn Ga AI Ni Co Cn Zn
1. Кипячение в HNO3+K2Cr2O7 5 мин, отмывка кистью в деиони- зованной воде, сушка в центри- фуге 2. Обезжиривание в кипящих орга- нических раствори- телях, далее от- мывка и сушка, как в п. 1 + покры- тие ПАН-лаком 2 0,3 0,7 1 10 0,05 0,005 20 10 10 0,2 0,6
2 0,3 0,4 0,6 10 0,7 0,2 4 50 30 0,2 0,6
3. Кипячение в КПР * 5 мин, от- мывка в воде и сушка, как в п. 1 2 0,3 0,5 2 5 0,05 0,2 4 20 20 0,2 0,05
4. Кипячение в АПР ** 5 мин, да- лее отмывка и сушка, как в п. 1 7 о.з 0,2 2 0,04 2 0,1 0,1 0,05 0,2
5. Последователь- ное кипячение в КПР и АПР по 5 мин, отмывка и сушка, как в п. 1 7 0,7 2 0,02 1 0,1 0,1 0,08 0,2
6. Обработка в царской водке при 348 К 3...5 мин, далее отмывка и сушка, как в п. 1 5 7 2
* Кислотно-перекисный раствор (НС1 : Н2О2: Н2О=1 : 1 : 4).
♦♦ Аммиачно-перекисный раствор (NH4OH : Н2О2 : Н2О=1 : 1 : 4).
обезжиривание в кипящих органических растворителях или азеотропных
смесях;
обезжиривание в парах горячих растворителей или УЗВ-обработка в ор-
ганических растворителях;
промывка в проточной деионизованной воде на кистемоечных машинах и
сушка на центрифуге.
Финишная очистка поверхности подложек:
1. Германий и кремний:
химическая обработка в горячих окислительных смесях (аммиачно- и кис-
лотно-перекисных);
промывка в проточной деионизованной воде и сушка на центрифуге.
2. Соединения AniBv.
химико-динамическое полирование;
отмывка подложек от остатков травителя в деионизованной воде или ор-
ганических средах. Обработка ультразвуком;
126
отмывка в проточной деионизованной воде и сушка на центрифуге.
Эффективными для финишной очистки являются сухие ионно-плазменные
и плазмохимические процессы.
Ионная очистка заключается в бомбардировке подложек ионами
инертных газов, что вызывает распыление поверхностных слоев вместе с ос-
таточными загрязнениями. Ее используют для очистки полупроводниковых под-
ложек при получении эпитаксиальных пленок методами вакуумной и молеку-
лярно-лучевой эпитаксии. Сочетается с термообработкой в сверхвысоком ва-
кууме 8-10~7...1,3-10~9 Па. Для Si Г == 1003...1373 К, для Ge 733...1023 К, для
GaAs 733...823К.
Очистка в тлеющем разряде заключается в бомбардировке за-
ряженными частицами подложки в плазме тлеющего разряда. Эффективность
очистки ниже, чем ионной. Для очистки от органических загрязнений эффективно
применять плазму, содержащую кислород.
Плазмохимическая очистка происходит вследствие химического
взаимодействия загрязнений с ионами и радикалами активных газов с образо-
ванием летучих соединений. В установках плазмохимической очистки плазма
активного газа образуется в результате безэлектродного высокочастотного
разряда.
Содержание остаточных загрязнений металлов на поверхности пластин крем-
ния после плазмохимической очистки приведено в табл. 3.15.
Таблица 3.15. Содержание остаточных загрязнений металлов по поверхности
Si пластин после плазмохимической очистки
Примесь Содержание примеси, см-2
до обработки после обработки
Кальций 2,5-1014 3,2-1013
Галлий 2,1 1013 1,6-101*
Натрий 8,1-1012 2,7 Ю13
Медь 7,0-10’4 6,2.10й
Золото 1,3-1014 4,2-1013
Железо 4,3-1014 3,3 1013
Примечание. Пластины подвергались предварительной очистке после ХМП.
Таблица 3.16. Составы и режимы электрохимического травления
и полирования полупроводников
Материал Состав электролита Режим обработки мА/см2; V, В
Ge 0,25 моль/л Na2SO4+ + (0,005...0,05) моль/л NaOH / = 5О...1ОО
Ge 0,25 моль/л Na2SO4+0,005 моль/л H2C2O4 i=20...40
Ge 0,01% КОН в Н2О : глицерин=1 : 1 i=25...5O
Si 46% HF+0,3 г/л Ge2O3 i= 5...200
Si Si 5% HF 6 г NH4HF2+500 мл Н20 + 500 мл Z=5O...15O
GaAs глицерина+ 0,8 мл HNO3 f=100
GaP 0,25% КОН 0,6 моль/л Кз[Ее(СЫ)б] +1,3 моль/л КОН в Н2О i=0,015...0,l £7= 12...24
Примечание. Концентрация растворов реагентов дана в процентах по массе.
127
Электрохимические методы обработки поверхности полупроводниковых под-
ложек. Процессы травления, полирования и окисления поверхности, которые
протекают при постоянном, реверсивном и периодическом токе, носят название
анодных. Основные составы электролитов для травления и электрополирования
даны в табл. 3.16.
Селективное травление в полупроводниках применяется для выявления
внутриструктурных дефектов. Составы основных травителей для выявления дис-
локаций приведены в табл. 3.17.
Таблица 3.17. Рекомендуемые травители для выявления дислокаций
Состав травителя Режим травления Ориентация пластин
Ге; Ks[Fe(CN)6] : КОН : Н2О 2 : 3 : 25 J2: KJ : Н2О 0,1 : 1 : 25 Кр Травитель Дэша (кислоты концент- рированные) HNO3: HF : СНзСООН 3: 1 : 10 Травитель Сиртла — Адлера 33%-ный СгОз: HF 1: (1...2) 10%-ный СгОз: HF 1 :2 Травитель Секко 4,4%-ный К2Сг2О7 : HF 1 :2 Арсеш Травитель RC-1 HNO3: HF : Н2О : AgNO3 3 : 2 : 5 : 0,4 Травитель АВ Н2О : AgNO3: СгО3: HF 2 :0,008 :1:1 Расплав КОН J2: KJ : Н2О : Н3РО4 1:4: 10:5 Фосфи Травитель АВ-1 Н2О : AgNO3: СгО3: HF 2 : 0,008 : 1 : 1,6 Н3РО4 Антима Н2О2: HF : Н2О 5:3: 12 )маний Кипящий раствор (111), (ПО) 1...8 мин 298...353 К (П1), (ПО), (ЮО) емний 293 К, 4...16 ч (111), (НО), (100) Не менее 15 мин (111), (ИО) 5...10 мин (ЮО) 298...303 К. 5...20 мин (111), (НО), (ЮО) id галлия 293...298К, 2...3 мин (111), (111) 338 К, 3...10 мин (111), (ПО), (ЮО) 573...623К (ЮО) 371 К, 15 мин (111), (100) id галлия 348 К, 15...60 мин (111) 443 К, 4...5 мин (111), (100) Hud галлия | 288 К, 5 с (Ш)
128
Окончание табл. 3.17
Состав травителя Режим травления Ориентация пластин
HF : НВг Фосф1 id индия 298 К, 5...30 с (111). (100).
5: 1 Травитель Н 298 К, 2 мин (111). (100).
Н3РО4: НВг 2:1 HNO3: Н2О2: С4Н6Об Арсен ид индия 298 К, 3...5 мин (111)
1:1:6 HNO3: HF : Н2О 293 К, 5 с (111)
1:1:1 HNO3: HF : СНзСООН Антимо нид индия 273...281 К (111)
2:1:1 (раствор насыщен вой кислотой) НС1: Н2О : FeCl3 стеарино- 368 К, 30 мин (111)
1:1: 0,02 НС1: Н2О Анодное травление (111). (211).
1 :3 (добавляется NH4C1 до насыще- 5...10 мин при /=
ния раствора) Примечание. 1. Состав травителей = 150...200 мА/см2 для жидкостей приведен е । объемных частях
(мл), для твердых веществ — 2. Концентрация кислот, %: в граммах. HF — 49; Н3РО4 — 85; СНзСООН — 99,8; HNOe — 70...72;
НВг —47; СдНвОб —40. 3 Растворы СгО8, KJ, К2СГ2О7, AgNO3, С4НбОв — водные.
3.4. Ионно-плазменное травление
Ионно-плазмеиное травление — процесс контролируемого удаления материа-
ла с поверхности твердого тела под воздействием ионов низкотемпературной
плазмы в среде инертных газов или в среде, содержащей активные газы.
По местоположению подвергаемых травлению образцов относительно среды,
в которой создаются ионы инертных газов, системы ионного травления под-
разделяют на (рис. 3.7): ионно-плазменные, в которых мишень с образцами
помещается в газоразрядную плазму, являющуюся источников бомбардирующих
ионов; с автономными ионными источниками, в которых мишень с образцами
отделена от области газоразрядной плазмы. По числу электродов — на двух-
электродные (диодные), трехэлектродные (триодные), четырехэлектродные
(тетродные) и многоэлектродные (пять и более электродов).
Системы с автономными ионными источниками могут быть с фокусировкой,
без фокусировки ионного пучка, с компенсацией и без компенсации объемного
заряда ионного пучка.
Диодные ВЧ-системы. Диодная ВЧ-система ионного травления содержит
два электрода: заземленный анод и мишень, на которую подается ВЧ-напряже-
ние от генератора и помещаются обрабатываемые образцы (рис. 3.8), В диод-
ной ВЧ-системе возможность травления любых материалов (металлов, полу-
проводников, диэлектриков, органических соединений и др.) сочетается с про-
9 Заказ № 1270
129
Рис. 3.7. Классификация систем ИТ материалов
стотой конструкции и большой площадью мишени (до 1200 см2), на которой
обеспечивается равномерная ионная бомбардировка. К основным параметрам
диодной ВЧ-системы относятся даление рабочего газа р, межэлектродное рас-
стояние d, радиус мишени /?м, мощность ВЧ-генератора №вч , оцениваемая
по амплитудному значению ВЧ-напряжения 1/0 с частотой f или цо току в
анодной цепи ВЧ-генератора /а. Типичные значения основных параметров в
диодных ВЧ-системах: р=0,66...6,6 Па, d—4...8 см, /?м=10...20 см, =
»1..,2 кВт, 1/о=О,8...4 кВт.
Особенности ионного травления материалов связаны с закономерностями
ВЧ-разряда в диодной системе, которые определяются частотой столкновения
электронов с атомами рабочего газа Уэ=Уэ/ка (где У9 и Ха— средняя скорость
Рис. 3.9. Зависимость эффективности
травления 0 пленок золота от энер-
гии ионов Аг в диодных ВЧ-систе-
мах:
/ —с согласующим устройством при
— 1 Па; 2 — без согласующего устройства
при р«2,66 Па
Рис. 3.8. Схема диодной ВЧ-систе-
мы ИТ:
/ — экран: 2—мишень; 3 — образцы; 4 —
анод; 5 — согласующее устройство; 6 —•
ВЧченератор
130
теплового движения и средняя длина свободного пробега электронов), частотой
приложенного ВЧ-напряжения f и геометрическими размерами d и /?м.
Минимальный потенциал зажигания ВЧ-разряда и максимальная проводи-
мость плазмы достигаются при условии
2л/«va. (3.1)
Исходя из (3.1) оптимальное давление рабочего газа рОпт, Па, можно опреде-
лить по формуле _ ___
ропт=6-10зХог(1)Жэ, (3.2)
где Хог (1)—средняя длина свободного пробега атомов газа при единичном
давлении и Т=273 К (для аргона ЛОг (1) =6,4-10~3 Па м); Гэ — температура
электронного газа, К; f — частота ВЧ-напряжения, Гц. Для ВЧ-разряда в ар-
гоне с 7\=1,5-104 К оптимальное давление составляет 0,6 Па для /=1,76 МГц;
1,65 Па для /=5,28 МГц; 4,3 Па для /=13,56 МГц.
Одной из важнейших характеристик систем ионного травления материалов
является коэффициент полезного использования подводимой мощности, который
определяется по эффективности процесса травления, т. е. по отношению ско-
рости травления материала к плотности мощности ионного тока на мишени №м
или удельной мощности разряда №Р. При ВЧ-травлении диэлектриков и вы-
сокоомных полупроводников происходит добавочный нагрев образцов за счет
рассеяния ВЧ-мощности в материале. Эта мощность, расходуемая на нагрев
единицы объема диэлектрика или полупроводника, определяется по формуле
UM2_________
Wнагр — 6о8 • 2л/ ~~ tg 6,
(« + Еит.п)2
где е и h — диэлектрическая проницаемость и толщина образца; tg 6 — тангенс
угла диэлектрических потерь; ат.п — ширина темного пространства. На рис. 3.9
показана зависимость эффективности травления пленок золота в диодных
ВЧ-системах от энергии ионов аргона. При наличии согласующего устройства
эффективность травления в 4 раза выше. Наличие максимума независимости
эффективности травления от энергии ионов позволяет выбирать оптимальное
напряжение на мишени UM.
Существенное влияние на скорость травления оказывает также конструк-
ция ВЧ-электрода, на котором крепится мишень. Критичным параметром, су-
щественно ограничивающим как частоту питающего напряжения, так и рассеи-
ваемую на мишени мощность, является зазор между ВЧ-электродом и
заземленным экраном. С одной стороны, чтобы в зазоре не возник разряд,
этот зазор должен быть по крайней мере в 2 раза меньше ширины темного
катодного пространства. С другой стороны, при чрезмерном уменьшении зазора
растут емкостные потери и возникает опасность пробоя (особенно при нали-
чии у мишени острых краев и загрязнений). При давлении 0,66...6,6 Па зазор
между экраном и мишенью составляет несколько миллиметров. Ширина зазора
может быть увеличена, а емкостные потери уменьшены, если используется гер-
метичная конструкция ВЧ-электрода с автономной откачкой его внутренней по-
лости до давления 10~3 Па.
Для предотвращения обратной диффузии распыленного материала в процес-
це ВЧ-травления необходимо выполнение условия
pd<rK(l), (3.3)
где £к (1)—средняя длина направленного пробега распыленных атомов при
единичном давлении. При этом следует помнить, что межэлектродное расстоя-
ние d не может быть меньше ширины темного пространства dT,at м, опреде-
ляемой по формуле
где иы — напряжение мишени, В; пи — концентрация ионов в плазме разря-
да, м“3; Та — температура электронного газа, К. Значения па и Т9 определя-
9* 131
Рис. 3.10. Схема диодной
ВЧ-системы ИТ с уловите-
лем распыленных частиц:
/ — мишень; 2 — уловитель; 3 —
анод; 4 — образцы; 5 — экран;
6 — согласующее устройство;
7 — ВЧ-генератор
ются с помощью зондовых или спектроскопических измерений. Если в диодной
ВЧ-системе нельзя одновременно выполнить условие (3.3) и условие горения
ВЧ-разряда, то следует применять либо уловитель распыленных частиц, либо
магнитное поле при пониженных давлениях рабочего газа.
Уловитель, представляющий собой систему тонкостенных концентрических
цилиндров с одним дном, устанавливается на аноде так, чтобы расстояние Ь
удовлетворяло условию горения ВЧ-разряда, а расстояние с — условию (3.3)
(рис. 3.10). Уловитель играет для распыленных частиц такую же роль, как и
абсолютно черное тело для света, т. е. любой распыленный атом, попавший
в уловитель, не может выйти из него и осаждается на его стенках. Расстояние
между стенками соседних цилиндров в уловителе должно быть по крайней мере
в 3 раза меньше их высоты. Аналогичный уловитель с еще большей высотой
цилиндров можно использовать для подавления рентгеновских лучей, возникаю-
щих при бомбардировке анода высокоэнергетическими электронами. На рис. 3.11
показана эффективность применения такого уловителя для снижения деграда-
ции порогового напряжения МОП-приборов.
Применение продольных, поперечных и квадрупольных магнитных полей
позволяет на порядок снизить диапазон рабочих давлений в диодных ВЧ-систе-
мах. Наложение магнитного поля приводит к повышению эффективного давления
газа для движения электронов в направлении, перпендикулярном полю. Зави-
симость скорости ионного травления пленок SiO2 от частоты ВЧ-сигнала в диод-
ной системе с квадрупольным магнитным полем показана на рис. 3.12.
В диодных системах мишень выполняет двойную функцию: с одной сто-
роны, она является источником поддержания разряда, а с другой — местом трав-
~ч,0
____I___I___I I____L___J____I___j____J.
0 10 30 50 70 90
Число приборов, имеющих U < Un , °/c
Рис. 3.11. Дрейф порогового напря-
жения £/п МОП-приборов, изготов-
ленных е помощью жидкостного
химического травления (/), ионного
травления в ВЧ-диодной системе
без уловителя (2) и о уловите-
лем (3)
Рис. 3.12. Зависимость скорости трав-
ления пленок SiO2 в диодной систе-
ме от частоты приложенного ВЧ-сиг-
нала мощностью 400 Вт при давле-
нии аргона 0,12 Па
132
ления образцов. Такое совмещение функций существенно снижает возможность
управления процессом травления, так как изменение скорости травления огра-
ничено областью существования электрического разряда. В диодных системах
нельзя независимо регулировать энергию ионов, ионный ток и давление, про-
водить травление ионами низких энергий [менее 4,8-10'”17 Дж (300 эВ)], пре-
кращать травление без выключения разряда, контролировать и регулировать
угол падения ионов на поверхность образцов. Поэтому скорость травления ма-
териалов в диодных системах обычно относят к плотности мощности ионного
тока на мишени (FH), которая должна быть меньше критической для ис-
пользуемой защитной маски. В табл. 3.18 приведены скорости травления не-
которых материалов ионами Аг в диодных ВЧ-системах.
Таблица 3.18. Значения скоростей травления VTp некоторых материалов
ионами Аг в диодных ВЧ-системах
Материал и v тр, нм,с Вт/см2 । Материал Итр,нм/с Wu, Вт см2
А1 0,2...0,27 1,6 N1 0,83 2
Au 0,3... 1,5 1,6 Ti 0,08 2
Си 0,3...0,6 1.6 SiO2 0,2 1,6
W 0,11 1.6 Si3N4 0,1 1,6
Pt 1,5 2 AI2O3 0,03...0,08 1,6
Увеличение скорости плазмохимического травления для конкретного ма-
териала и рабочего газа связано с повышением плотности мощности разряда
и потока рабочего газа около обрабатываемой поверхности. Для того чтобы
получить высокие плотности мощности и потоков газа в стандартных плаз-
мо^имических системах, необходимо применять ВЧ-генераторы или источники
постоянного тока мощностью 50... 100 кВт и насосы до 300 л/с. Однако можно
сузить участок обработки и канал подачи газа и достигнуть желаемых резуль-
татов с обычными источниками мощностью 100...500 Вт и насосами до 10 л/с.
Устройство, позволяющее проводить плазмохимическое травление с повы-
шенной плотностью разряда (рис. 3.13), представляет собой вакуумную камеру
с установленными в ней двумя электродами. На катоде расположены обраба-
тываемые пластины, а через полый анод с отверстием калиброванного диаметра
подается рабочий газ. Высокая плотность разряда (20...30 Вт/см2) достигается
за счет уменьшения площади анода.
В плазме электрического разряда постоянного тока (напряжение 1,5 кВ,
ток разряда 500 мА) при давлении и расходе четырехфтористого углерода
соответственно 100 Па и 400 см3/мин скорость травления кремния VTp =
30...50 мкм/мин.
При травлении до 50...75 мкм об-
рабатываемая поверхность сохраняет
свой класс чистоты, что дает возмож- Газ
ность использовать данное устройство
при дальнейшей доработке для полиро-
вания кремниевых пластин, а также
для получения отверстий и углублений.
Это обстоятельство позволяет заменять
дорогостоящие методы жидкостной и
механической обработки кремния дан-
ным методом.
Рис. 3.13. Устройство плазмохимическо-
го травления с трубчатым электродом: 1 I
/ — катод; 2 —подложка; 3 —анод с отвер- к
стием калиброванного диаметра; 4 — камера
133
Рис. 3.15. Схема установки ионного
травления с автономным ионным
источником в виде триодной си-
стемы:
1 — общая камера; 2 — камера ионного
источника; 3—изолирующий экран; 4 —
заземленный экран; 5 — сетка для уско-
рения ионов; 6 — термокаТод; 7 — магнит;
8 — анод; 9 и 10 — источники питания;
И — мишень
Рис. 3.14. Схема установки ионного
травления:
1 и 6 — натекатели; 2 — термокатод; 3 —
акод; 4 — камера ионного источника; 5 —
электромагнит; 6 — ионно-оптические сет-
ки; 7 — ускоряющая сетка; 9 — нейтра-
лизатор; 10 — заслонка; // — водоохлажда-
емая мишень; 12 — рабочая камера
Системы с автономными ионными источниками (АИИ). По сравнению с
ионно-плазменными эти системы обладают следующими преимуществами: умень-
шение радиационного воздействия заряженных частиц и фотонов на обрабаты-
ваемые структуры в результате отделения рабочей камеры от источника; умень-
шение загрязнений образцов инородными частицами за счет устранения про-
цессов обратной диффузии и рассеяния при высоком вакууме в рабочей камере;
возможность независимой регулировки угла падения, энергии и тока ионов,
позволяющей контролировать и управлять профилями травления микроструктур;
возможность наклона и вращения мишени с образцами, улучшающая равно-
мерность травления и устраняющая некоторые топографические дефекты.
Схема типичной установки приведена на рис. 3.14. Ионизируемый инертный
газ напускается через натекатель в камеру ионного источника, в котором при
давлении порядка 0,1...1 Па зажигается дуговой разряд между вольфрамовым
термокатодом и окружающим его цилиндрическим анодом, создающим радиаль-
ное электрическое поле, служащее для ускорения электронов. Для увеличения
эффективности ионизации на разрядный промежуток накладывается аксиальное
магнитное поле, которое заставляет электроны двигаться по циклоидальным
траекториям. Стенки анода находятся под высоким положительным потенциалом
(до нескольких киловольт), что приводит к ускорению ионов и вытягиванию их
через систему из трех молибденовых сеток, обеспечивающую получение хорошо
сколлимированного ионного пучка диаметром 7,5... 10 см, с 5%-ной неравномер-
ностью плотности тока. Из компенсатора объемного заряда, представляющего
раскаленную вольфрамовую нить, в ионный пучок эмиттируются электроны для
компенсации его объемного заряда, представляющего раскаленную вольфрамо-
вую нить, что позволяет проводить травление непроводящих материалов. Плот-
ность ионного тока пучка /и может меняться от 0,3 до 2,5 мА/см2, ускоряющее
напряжение 0...2 кВ, угол расхождения пучка 7... 10°, а расход инертного газа
1,0... 1,5 см3/мин.
В качестве АИИ используют модернизированную триодную систему, позво-
ляющую получать ионный пучок диаметром свыше 30 см с низкой энергией
ионов 3,2-1017 Дж (200 эВ) и высокой плотностью тока (5 мА/см2) (рис. 3.15).
134
Порядок выбора и расчета основных технологических параметров процесса
ионного травления в системах с АИИ должен быть следующим. В зависимости
от способа крепления образцов к мишени и ее охлаждения выбирают или опре-
деляют экспериментально значение критической плотности мощности ионного
тока Гн.кр для используемой защитной маски. Согласно зависимости
^И.кр =/и^М (3.4)
напряжение на мишени UM (или ускоряющем электроде) выбирается исходя из
максимальной эффективности процесса травления.
После выбора UM определяется допустимая плотность ионного тока /и на
мишени. Скорости ионного травления различных материалов при плотности то-
ка /и=1 мА/см2 и различных ускоряющих напряжений при нормальном угле па-
дения ионов Аг представлены в табл. 3.19.
Таблица 3.19. Скорости ионного травления различных материалов
Материал Итр, нм/с V «в Материал ИТр, нм/с «В
А1 0,5...1,2 0,5 Пермаллой 0,5...0,8 0,5
0,8...1,3 1 Fe 0,5 1
Au 1,7...2,5 0,5 Nb 0,5 1
2,7...3,6 1 SiO2 0,5...0,7 0,5
W 0,3 0,5 0,6...1,l 1
Та 0,2...0,5 0,5 А120з 0,1 0,5
Ti 0,3 0,5 0,2 1
0,3 1 LiNbO3 1 1
Мо 0,3 0,5 Si 0,3...0,8 0,5
0,6 1 0,6...1,3
Си 1,8 0,5 GaAs 4,3 1
Сг 0,3...0,6 1 Ag 3,3 1
Zr 0,3 1 Mn 0,5 1
V 0,3 1
На рис. 3.16 приведена зависимость эффективности травления пленок Ag
в системе с АИИ от энергии ионов Аг. Максимум эффективности травления
наблюдается при энергии ионов 6,4-10~17 Дж (400 эВ). В системах с АИИ
максимум эффективности травления материала приходится на максимальную
энергию ионов £и, при которой коэффициент распыления материала еще прямо
пропорционален энергии ионов.
Диодные системы на постоянном токе. Максимальная скорость травления
материалов при постоянной мощности источника питания разряда достигается
при максимальном ионном токе на мишени 7И и минимально допустимом зна-
чении UM в указанном интервале. Для обеспечения такого режима горения
разряда необходимо выполнить условие
ptZ^l,2(pdT.K.n), (3-5)
где р —давление газа; d — межэлектродное расстояние; dT.K.n— ширина тем-
ного катодного пространства аномального тлеющего разряда. Поскольку для
аргона при £/м = 1...5 кВ независимо от материала электродов pdT,K(n=0,l Па м,
по условию (3.5)
pd>0,12 Па-м. (3.6)
Для предотвращения обратной диффузии распыленного материала должно
выполняться условие (3.3). Условия (3.3) и (3.6) не могут быть одновременно
выполнены в простой диодной системе на постоянном токе, т. е. любая попытка
избавиться от обратной диффузии приведет к затрудненному горению и после-
135
Рис. 3.16. Зависимость эффективности трав-
ления 0 пленок серебра от энергии ионов
аргона в системе с автономным ионным
источником
Рис. 3.17. Схема триодной системы ионного травления:
/ — термокатод; 2, 3 —экраны; 4 — анод; 5 — мишень; 6—8 — источники питания
дующему затуханию разряда. Эту проблему, как и в случае диодных ВЧ-систем,
можно разрешить применением уловителя распыленных частиц (см. рис. 3.10)
или магнитных полей. Использование магнитных полей позволяет получать в
диодных системах на постоянном токе аномальные тлеющие разряды с больши-
ми плотностями ионного тока вплоть до давления 6,6-10~2 Па.
Скорости травления полимерных органических масок в диодной системе на
постоянном токе в несколько раз ниже, чем скорости их травления в ВЧ-системе,
из-за накопления положительного заряда на их поверхности, что позволяет тра-
вить металлические слои на большую глубину через тонкие высокоразрешающие
полимерные маски. Перспективной в диодных системах на постоянном токе
является маска из А12О3, так как она выдерживает Wn вплоть до 5 Вт/см2 и
имеет очень низкую скорость травления (меньше 0,017 км/с при №и= 1,5 Вт/см2).
Триодные системы. Триодная система ионного травления состоит из трех
независимо управлямых электродов: термокатода, анода и мишени, на которой
размещаются обрабатываемые образцы (рис. 3.17). После откачки рабочей ка-
меры до давления 10~4 Па катод разогревается до температуры, достаточной
для достижения высокой плотности тока термоэлектронной эмиссии. Затем в ка-
меру напускается инертный газ до давления 0,066...0,66 Па и подается напря-
жение между термокатодом и анодом около 500 В, что приводит к зажиганию
дугового разряда.
На мишень может подаваться как постоянное отрицательное напряжение
при травлении проводящих образцов, так и ВЧ-напряжение при травлении ди-
электрических образцов. В триодных системах процессы образования плазмы и
травления разделены, что позволяет управлять энергией ионов с помощью на-
пряжения на мишени, однако в отличие от систем АИИ нельзя регулировать
угол их падения. Максимальная плотность ионного тока на мишени в триодных
системах составляет 15...20 мА/см2, что позволяет получать высокие скорости
травления материалов (около 5...10 нм/с).
Реакторы для травления микроструктур. Для реализации радикального
травления чаще всего используются реакторы цилиндрического типа, в которых
возбуждение плазмы производится с помощью либо индуктора (рис. 3.18, а,
поз. 5), либо конденсаторных пластин (рис. 3.18,6, поз. 5). В этих реакторах
зона плазмы окружает реакционную зону и отделена от нее перфорированным
цилиндром-вкладышем, а доставка химических активных частиц к обрабатывае-
мым пластинам происходит в результате диффузии их через отверстия в цилинд-
ре. Цилиндр может быть заземлен, иметь плавающий потенциал или служить
ВЧ-электродом.
Для реализации плазменного травления используются реакторы цилиндри-
ческого (объемного) типа, в которых плазма возбуждается с помощью распо-
136
Рис. 3.18. Реакторы для радикального (РТ) и плазменного (ПТ) травления:
а — цилиндрический для РТ с индукционным возбуждением; б — цилиндрический для РТ
с емкостным возбуждением; в — цилиндрический для ПТ с индукционным возбуждением;
г—планарный для ПТ с плоскопараллельными электродами; 1 — корпус реактора; 2 —
подача газа; 3 — откачка; 4 — обрабатываемые пластины; 5 — ВЧ-электрод; 6 — перфори-
рованный цилиндр-вкладыш
ложенного снаружи индуктора (рис. 3.18, в), и реакторы планарного типа
(рис. 3.18, г), в которых плазма возбуждается с помощью верхнего ВЧ-электро-
да. В реакторах объемного типа между плазмой и подложками возникает раз-
ность потенциалов 10...50 В Сочетание небольшой разности потенциалов и вы-
сокого давления (около 100 Па) обусловливает изотропный характер травления,
обеспечивая высокую селективность травления одного материала по отношению
к другому (10...20). Большим недостатком реакторов объемного типа является
высокая неравномерность травления, поскольку скорость травления увеличива-
ется от центра пластины к ее периметру.
Значительно большую равномерность травления обеспечивают реакторы
планарного типа (рис. 3.18, г), в которых газ чаще всего подается через от-
верстие в нижнем электроде и откачивается через отверстия, расположенные на
периферии реактора. Разность потенциалов между плазмой и нижним зазем-
ленным электродом, на котором расположены подложки, достигает нескольких
сотен вольт, поскольку плазма находится между близкорасположенными элект-
родами. Несмотря на высокий потенциал и низкое давление (менее 65 Па)
травление носит изотропный характер. Добиться анизотропии путем снижения
давления при близкорасположенных электродах практически невозможно, так
как при малых давлениях затруднено стабильное горение разряда. Если уве-
личить расстояние между электродами, то можно снизить рабочее давление,
однако травление тем не менее останется изотропным, поскольку при этом раз-
ность потенциалов между плазмой и нижним заземленным электродом быстро
падает. Скорость травления в планарном реакторе обычно больше, чем в объем-
ном, а селективность значительно ниже.
Для реализации реактивного ионно-плазменного травления чаще всего ис-
пользуют реакторы планарного типа с плоскопараллельными электродами, а
137
Рис. 3.19. Реакторы для реактивного ионно-плазменного травления:
а — планарный диодного типа; б — планарный триодного типа; в — планарный магне-
тронного типа; г — коаксиальный магнетронного типа с цилиндрическим ВЧ-электродом;
/ — корпус реактора; 2 — подача газа; 3 —откачка; 4 — обрабатываемые пластины; 5 —
верхний заземленный электрод; 6 — ВЧ-электрод; 7 —экран; 8 — сетка; 9 — электромагнит;
10 — постоянные магниты; // — сканирующее устройство
также с коаксиальными электродами в виде многогранной призмы. Во всех слу-
чаях обрабатываемые пластины размещаются на электроде, к которому подве-
дено ВЧ-напряжение. При проведении реактивного ионно-плазменного травления
поверхность обрабатываемого материала находится в контакте с плазмой. Газо-
разрядная плазма стимулирует физические и химические процессы, происходя-
щие как в газовой фазе, так и на поверхности обрабатываемого материала.
При этом физические и химические процессы воздействуют неаддитивно, в ре-
зультате суммарная скорость травления при одновременном протекании обоих
процессов намного больше суммы скоростей травления каждого процесса в
отдельности.
Непосредственный контакт ВЧ-плазмы с обрабатываемым материалом и
интенсивная ионная бомбардировка вызывают радиационные повреждения при-
поверхностных слоев в планарных реакторах диодного типа, один из которых
показан на рис. 3.19, а. В триодной системе (рис. 3.19,6) вблизи электрода, на
который подано ВЧ-напряжение, помещена сетка, находящаяся под плавающим
потенциалом. При этом образуется своеобразный полый катод, наличие которого
в 3...4 раза увеличивает плотность ионов в пространстве между сеткой и
ВЧ-электродом и одновременно в 4...5 раз снижает напряжение автосмещения на
ВЧ-электроде. Малое расстояние между сеткой и ВЧ-электродом (примерно
15 мм) обеспечивает стабильное горение тлеющего разряда при напряжении
автосмещения 20 В. Характерные для триодной системы высокие скорости трав-
ления в сочетании с низкими энергиями ионов позволяют значительно умень-
138
шить (а в некоторых случаях полностью устранить) радиационные дефекты
в обрабатываемых материалах и структурах.
В магнетронной системе планарного типа (рис. 3.19, е), являющейся разно-
видностью диодных систем, под мишенью, на которую подано ВЧ-напряжение,
размещены постоянные магниты, что позволяет локализовать плазму в непосред-
ственной близости от мишени. Эмиттируемые из мишени под действием ионной
бомбардировки электроны оказываются в своеобразной магнитной ловушке и
циркулируют по замкнутым траекториям, увеличивая эффективность процесса
ионизации и возбуждения молекул и атомов рабочего газа, в результате резко
повышается скорость травления. Кроме того, наличие магнитного поля снижает
автосмещение на ВЧ-электроде до 50... 100 В и обеспечивает стабильное горение
разряда при сравнительно низком давлении (менее 10 Па).
Высокие скорости травления в сочетании с низкими энергиями ионов позво-
ляют значительно снизить радиационные дефекты в обрабатываемых материалах
и структурах. Однако наличие магнитной системы вызывает локализацию плаз-
мы вблизи мишени в виде вытянутой О-образной дорожки, что резко снижает
равномерность травления и для ее повышения приходится перемещать либо
магнитное поле, либо образцы вдоль и поперек О-образной дорожки.
Существенным недостатком планарных систем с плоскопараллельными элект-
родами является низкая производительность, поскольку небольшие размеры
электродов ограничивают число одновременно обрабатываемых пластин. Кроме
того, пластины могут загрязняться из-за попадания на них нелетучих частиц,
которые отделяются со стенок и электродов реактора. Для преодоления этих
недостатков была разработана вертикальная диодная ВЧ-система магнетронного
типа с коаксиальным шестигранным ВЧ-электродом, вставленным в заземленный
цилиндр (рис. 3.19,г). При использовании этой системы обеспечивается боль-
шое отношение площадей заземленного корпуса и ВЧ-электродов (2:1). Это
приводит к тому, что темное катодное пространство сосредоточивается в не-
посредственной близости от ВЧ-электрода. В этом пространстве происходит ус-
корение ионов, которые бомбардируют подложки под прямым углом, обеспе-
чивая высокие анизотропию и разрешающую способность при реактивном ион-
но-плазменном травлении. Энергия ионов, бомбардирующих подложку, может
в широких пределах регулироваться изменением магнитного поля, создаваемого
катушками соленоидов. Для улучшения равномерности травления предусмотре-
но вращение ВЧ-электрода.
3.5. Геттерирование примесей и дефектов
в полупроводниковых подложках
Процесс удаления и дезактивации дефектов полупроводниковых пластин
называют генерированием. Для обеспечения подвижности точечных дефектов
любой метод геттерирования включает термообработку, температура и длитель-
ность которой достаточны для диффузии точечных дефектов из рабочих обла-
стей пластин в область геттера. Существующие методы геттерирования (рис. 3.20)
могут быть разделены на три основные группы.
Геттерирование с помощью нарушенного слоя. Основано на том, что области
структурных нарушений являются стоком для точечных дефектов. Способы со-
здания нарушенного слоя указаны на рис. 3.21.
Метод создания нарушенного слоя абразивной обработкой основан на меха-
нической обработке нерабочей стороны поверхности полупроводниковой пла-
стины, выполняемой скрайбированием, пескоструйной обработкой, шлифовани-
ем и т. д. Эффективным для геттерирования является шлифование с помощью
абразивного материала, закрепленного на вращающемся диске (рис. 3.22). При
геттерировании трудно обеспечить воспроизводимость введенных нарушений, ис-
ключающую возможность распространения дислокаций от обратной стороны
пластины до рабочей при высокотемпературных операциях. Для воспроизводи-
мости нарушений, введенных в обратную сторону пластины, применяется метод
ударной обработки, основанный на акустической вибрации вольфрамовых ша-
риков диаметром 300 мкм на поверхности пластины (рис. 3.23). Последующая
139
Рис, 3,20* Классификация методов генерирования
140
местонахождение геттера
На нерабочей сто-
роне пластины
Вне пластины
на нерабочей
стороне между
злементами
В объеме
пластины
вид геттера
Нарушенный слой
Нанесенный слои —« Окружающая среда
Способ создания геттера
металлы
Примесно-
силикатные
стекла
Поли-
креннии
нитрид
кремния
Отжиг б Вакууме
или В инертной
атмосфере
Отжиг б активной
атмосфере
Отжиг В хлор-
содержащей
атмосфере
Рис. 3.21. Способы создания нарушенного слоя при геттерировании
Рис. 3.22. Специальная аб-
разивная обработка нера-
бочей стороны кремниевых
пластин:
1 — абразивный круг; 2 — крем-
ниевая пластина; 3 — вращаю-
щийся слой
Рис. 3.23. Схема установки для ударно-аку-
стической обработки кремниевых пластин:
1 — генератор прямоугольных импульсов; 2 —- гене-
ратор гармонических колебаний; 3 — усилитель мощ-
ности; 4 — кремниевая пластина; 5 — волновод; 6 —»
система акустического воздействия; 7 — звукоизоля-
ционный блок
термобоработка позволяет значительно увеличить время жизни неосновных но-
сителей заряда (рис. 3.24).
Методом диффузионного легирования, основанным на формировании сетки
дислокаций несоответствия в полупроводнике при его диффузионном легирова-
нии до уровней, близких к предельной растворимости легирующего элемента,
удается на несколько порядков снизить плотность дефектов упаковки и токи
141
NtCM~Z
KCM~?
20 '
м
V*
Ю'* 10я Ю* <0? ' мкс
30 -
20 -
tfL
ЧТ*
1OQ
:
- «lit I!.
10' IO? t,MKC
Рис. 3.24. Влияние ударно-акустической обработки на время жизни неоснов-
ных носителей в кремниевых пластинах (а) и пластинах, подвергнутых обра-
ботке мощностью 40 Вт (б)
Рис, 3.25. Распределение тестовых структур по токам утечки до обработки
контрольных образцов
Рис, 3.26. Распределение тестовых структур после шлифования нерабочей сто-
роны и диффузии фосфора в течение 30 мин
утечки ^-переходов (рис. 3.25, 3.26), Такой метод высокоэффективен, однако
непригоден в МОП-технологии. При ионной имплантации глубина нарушенного
слоя, как правило, не превышает 1 мкм и нарушения сравнительно легко отжи-
гаются, что не всегда эффективно. Высокая воспроизводимость параметров гет-
терирующего слоя достигнута при лазерной обработке материалов (рис. 3.27)
Известно, что поверхность твердого тела адсорбирует точечные дефекты,
уменьшая при этом свою свободную энергию. Увеличивая площадь поверхности
в нерабочих сторонах пластины, можно экстрагировать туда точечные дефекты
5Гаким способом производят геттерирование примесей пористым кремнием, со-
Д42
Рис. 3.27. Зависимость глубины нарушенного
слоя от плотности энергии лазерных им-
пульсов
зданным на основе плавиковой кислоты.
После геттерирования слой с дефектами уда-
ляют (рис. 3.28). При селективной анодной
обработке возможно проведение геттерирова-
ния и на рабочей стороне пластины (рис. 3.29),
что позволяет снизить длительность и темпе-
ратуру термообработки.
WXXXXXXXXA
БДП Пористый кремний
Q) б) М
шххх^
SiO2
г)
УХХХХХХХХХХХ
д)
Рио. 3.28. Геттерирование быстродиффундирующих примесей (БДП) сплош-
ным слоем пористого кремния:
о — исходная кремниевая пластина; б — формирование пористого кремния; н —высокотем*
пературный отжиг; г — окисление пористого кремния; д — удаление окисленного пори-
стого кремния
Q)
Пористый кремний
б!
б)
Рис. 3.29. Этапы технологического процесса изготовления эпитаксиальных
структур с использованием локальных геттерирующих областей пористого
кремния:
а — создание нитридной маски; б — формирование пористого кремния; в — окисление; 2 —
эпитаксиальное наращивание слоя кремния
Si Поликристалл
Геттерирование с помощью нанесенных слоев. На поверхность полупровод-
никовой пластины наносят слой геттера, после чего проводят термообработку,
обеспечивающую подвижность атомов нежелательных примесей. Для геттериро-
вания быстродиффундирующих примесей в кремнии используют никель, галлий,
алюминий, цинк, сплавы олова со свинцом. Нанесение на поверхность пластин
кремния слоя никеля или цинка и отжиг в водороде при температуре
1273... 1373 К в течение 1 ч приводят к уменьшению токов утечки в р—«-перехо-
дах и к увеличению числа диодных структур с «резкими» вольт-амперными ха-
рактеристиками (ВАХ) (рис. 3.30). Используются и слои примесно-силикатных
143
Рис. 3.30. Распределение диодов с мягкими и «резкими» (светлая часть столб-
ца) ВАХ в партиях исходных диодов (а), после диффузии меди (6), после
геттерирования слоем цинка (в) и после геттерирования слоем никеля (г)
Номер партии
г)
стекол, сформированных на различных технологических этапах изготовления
прибора.
Для геттерирования нежелательных примесей используют слой поликристал-
лического кремния, нанесенного на обратную сторону пластины. Как правило,
слои поликремния получают пиролизом силана. Оптимальная температура на-
несения поликремния составляет 923... 1073 К. Особенно эффективна комбинация
поликремния с нанесенным на его поверхность слоем нитрида кремния. Для
предотвращения механических напряжений, существующих на границе раздела
кремний — нитрид кремния, эффективно применение нитрида кремния в сочета-
нии с другими геттерирующими слоями: нанесение Si3N4 (примерно 0,1 мкм) на
механически нарушенный или поликремниевый слой.
Термическая обработка в специальной среде. Широко распространены спо-
собы экстракции точечных дефектов в газовую фазу и в вакуум. Геттер в этом
случае находится вне пластины.
Предокислительный отжиг при температуре 1073... 1473 К в атмосфере ар-
гона уменьшает плотность дефектов упаковки в кремнии. При предокислитель-
ном высокотемпературном отжиге происходит рассасывание дефектов упаковки,
находящихся вблизи поверхности, и образование приповерхностной области,
свободной от них. Добавление незначительного количества (0,1...6 %) хлора или
его соединений в окислительную атмосферу приводит к увеличению на несколь-
ко порядков времени жизни неосновных носителей, уменьшению количества и
размеров окислительных дефектов упаковки. Однако хлор и хлористый водород
обладают высокой реакционной способностью. Более удобными и безопасными
являются трихлорэтан и трихлорэтилен. На рис. 3.31 приведена схема установки
для окисления пластин с использованием трихлорэтилена.
Термический отжиг и окисление являются основными операциями современ-
ного технологического процесса изготовления кремниевых ИС, поэтому их ис-
пользуют и для процессов геттерирования.
144
Рис. 3.31. Схема установки
термического окисления
кремниевых пластин с ис-
пользованием трихлорэти-
лена:
1 — термостат; 2 — резервуар с
трихлорэтиленом; 3 — пласти-
ны; 4 — реакционная камера
3.6. Методы получения окисных пленок кремния
Окисные пленки кремния применяют в качестве маскирующих покрытий
при локальной эпитаксии и локальном газовом травлении, для защиты и пасси-
вации поверхности полупроводников, в качестве рабочего элемента в приборах
на основе структур металл — окисел — полупроводник, для диэлектрической
Рис. 3.32. Классификация
методов получения окисных пленок кремния
Рис. 3.33. Принцип тер-
мического окисления:
1 — кран; 2 — измеритель
скорости потока; 3 — тер-
мостат; 4 — кварцевый бал-
лон; 5 — кварцевая труба;
6 — пластины кремния; 7 —
печь нагревательная; 8 — ог-
раничитель встречного те-
чения
10 Заказ № 1270
145
Рис. 3.34. Зависимость роста тол-
щины S окисла кремния от време-
ни t и температуры при нормаль-
ном давлении
Чистая атмосфера
кислорода
чистая атмосфера
водяного пара
КО 3,0 5.0 Щ0 20Д
Давление лара,* & Ла
(бремя осаждения б о мин}
Рис. 3.35. Зависимость толщины
окисла от давления пара для ори-
ентации (111) (прямые /) и (100)
(прямые 2) в кремнии
изоляции активных и пассивных элементов ИС; легированные окисные пленки —
в качестве источника примеси при диффузии. Методы получения окисных пле-
нок кремния приведены на рис. 3.32.
Особое место занимают методы высокотемпературных реакций с кислоро-
дом. При термическом окислении кремниевые пластины нагревают в кварцевой
трубчатой печи приблизительно до температуры 1473 К и окисляют в потоке
сухого или влажного кислорода (рис. 3.33).
Скорость роста сухой окисной пленки составляет (рис. 3.34) 0,2 мкм/ч для
сухого и приблизительно 1 мкм/ч для влажного кислорода. Оптимальная тол-
щина пленки ограничена сверху необходимой адгезионной прочностью (трещи-
ны недопустимы), снизу — скоростью проникновения атомов примеси в пленку
кварца.
Окисление при высоком давлении. Преимущество высокого давления
(2-105 Па) состоит в снижении температуры процесса, что приводит к сниже-
нию числа дефектов, возникающих в кремнии. Соотношение между толщиной
окисла и давлением пара при постоянном времени окисления приведено на
рис. 3.35. Толщину наросшей пленки окисла можно оценить по зависимостям:
.. (/+т) для (Z+т) <Л2/4В;
/ 2DC \1/2
Zo~ ~— /1 для />Л2/4В,
Ni
где К — скорость поверхностной реакции; Ni — число молекул окислителя, не-
обходимое для образования окисла в единичном объеме (для получения диок-
сида кремния требуется концентрация молекул кислорода 2,2-1022 см~3 или кон-
центрация молекул воды 4,4-Кг2 см~3); С — максимальная концентрация окис-
лителя в газе при данной температуре; t — время проведения процесса окис-
ления; A^2D/K\ B=2DC[Ni\ r=(Zi-\-A)fB\ Zi = 2Q нм для сухого и
Zi = 0 для влажного кислорода.
146
Для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной
скорости поверхностной реакции А и прямо пропорциональна времени окисле-
ния. Для больших времен окисления рост окисла зависит от коэффициента диф-
фузии D, толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени
окисления.
Наиболее часто используется толщина окисла, составляющая десятые доли
микрометра. Верхний предел по толщине для обычного термического окисления
составляет 1...2 мкм. Добавление в окислительную среду в процессе окисления
хлорсодержащих компонентов улучшает стабильность порогового напряжения
полевых МДП-транзисторов, увеличивает напряженность пробоя диэлектриков и
повышает скорость окисления кремния.
Осаждение из газовой фазы. Осаждение окиси кремния происходит в ре-
зультате пиролиза алкоксиланов, гидролиза галогенов кремния, окисления и
гидролиза силана.
Осаждение методом пиролиза алкоксиланов выполняется на подложках,
нагретых до 700 К, которые помещают в электрическую или индукционную печь
и пропускают в инертном газе алкоксилан, нагретый до нескольких десятков
градусов. Чаще всего используется тетраэтоксисилан и этилтретоксилан. В ка-
мере происходит пиролитическое разложение этих соединений и осаждение плен-
ки окиси кремния. Скорость осаждения в зависимости от температуры состав-
ляет 0,005...0,025 мкм/мин. Этот параметр можно, однако, улучшить, нагревая
подложки до 1073...1173 К.
Методом гидролиза галогенов кремния, чаще всего SiCl4 и SiBr4, получают
покрытие из окиси кремния, качество которого не хуже, чем при высокотемпе-
ратурном окислении, а скорость процесса значительно больше. Процесс проис-
ходит в камере, в которой подложки нагреваются до 1273... 1473 К и над ними
пропускается галогеновое соединение в смеси с СО2 и Н2. Скорость осаждения
при 1473 К составляет 0,1 мкм/мин. При замене двуокиси углерода окисью азота
процесс будет протекать при 1073 К.
Процесс окисления и гидролиза силана проходит при 573 К. Скорость осаж-
дения при 748 К составляет 0,29 мкм/мин. Реакция протекает бурно при малом
давлении галогена в носителе (азот или аргон) и большой скорости его движе-
ния. Можно проводить осаждение окиси кремния при непосредственном гидро-
лизе силана или в результате реакции SiH4 и СО2 в диапазоне температур
973...1473 К.
Анодное окисление проводят чаще всего в безводных электролитах (глико-
ли, амиды), в которых в качестве ионогена растворяется KNO5. Плотность
тока составляет 1...5 мА/см2. Процесс протекает при низкой температуре, до-
пускает прецизионный электрохимический контроль путем регулирования плот-
ности тока и температуры электролита. Материал катода — пластина, а держа-
телей подложек — тантал.
Анодное окисление кремния можно выполнять также в газовой фазе в ат-
мосфере чистого кислорода под давлением 50...200 Па и при одновременном
образовании разрядов, возбуждаемых полем ВЧ, которое является источником
образования ионов кислорода. При этом можно получить более толстые покры-
тия, чем при электролитическом окислении (при 543 К за 10 ч получен слой
0,6 мкм).
Осаждение SiO2 из пленкообразующих растворов. Для контролируемого
введения примесей в полупроводники существует метод осаждения из пленко-
образующих растворов на основе кремнийорганических соединений, разлагаю-
щихся при сравнительно низких температурах, например, таких, как тетраэтокси-
лан Si(OC2H5)4 или диметилэтоксихлорсилан, которые при гидролитической по-
ликонденсации образуют силоксановые цепи, склонные образовывать полимеры.
В состав пленкообразующих растворов, кроме кремнийорганических соединений,
входят азотнокислые соли легирующих элементов III, V групп, в качестве рас-
творителя могут использоваться ацетон, этиловый спирт, источником кислорода
для образования силоксановых связей является кислород воды, в качестве ка-
тализатора применяют НС1. Гидролиз кремнийорганических эфиров осуществим
только в присутствии катализатора при длительном нагревании.
Нанесение пленкообразующего раствора на поверхность полупроводника
осуществляется методами центрифугирования, пульверизации, погружения пл а-
10* 147
стины в пленкообразующий раствор. После испарения растворителя на поверх-
ности остается полиэфирная пленка, содержащая воду. Затем проводят термо-
деструкцию пленочного покрытия при температуре 523...973 К для превращения
его в стекловидную пленку на воздухе в течение 1 мин. В процессе термодест-
рукции происходит окисление полимера, превращение его в SiO2 и разложение
азотнокислых солей или других соединений, вводимых в раствор для легиро-
вания SiC>2. При толщине более 10-7 м легированная пленка может рассматри-
ваться как бесконечный источник примеси.
Нанесение в вакууме. Применяется вакуумное испарение и катодное рас-
пыление. При испарении исходным материалом может служить SiO2, SiO и Si
чаще всего в присутствии О2 либо О2+Н2О. Для испарения SiO2 используется
электронно-лучевое испарение, а для испарения SiO — резистивный испаритель.
Свойства покрытия в значительной мере зависят от скорости испарения,
вида и давления газов, температуры и качества поверхности подложек. Стехио-
метрические покрытия получаются только при малой скорости осаждения
(0,03 мкм/мин) и высоком давлении кислорода (1,33-10~2 Па).
Катодное распыление позволяет получить испарение с помощью кремниевой
или кварцевой мишени. Для кремниевой мишени распыление производится в ат-
мосфере О2+Аг при давлении 0,13 Па. Кислород окисляет атомы мишени, ко-
торые переносятся на подложки. Скорость осаждения зависит от давления кис-
лорода и составляет 0,01...0,03 мкм/мин.
При получении пленок SiO2 одним из приведенных способов часто необхо-
дим контроль их толщины. Суть одного из наиболее доступных методов состоит
Таблица 3.20. Зависимость цвета термически выращенной пленки
диоксида кремния от ее толщины
Порядок Толщина Порядок Толщина
интерфе- пленки, Цвет пленки интерфе- пленки, Цвет пленки
ренции мкм ренции мкм
0,05 Бежевый 0,46 Красно-фиолето-
0,07 Коричневый вый
0,10 Темно-фиолето- 0,47 Фиолетовый
вый 0,48 Голубовато-фио-
0,12 Голубой летовый
0,15 Светло-голубой 3 0,49 Голубой
1 0,17 Металлический 0,50 Голубовато-зеле-
0,20 Светло-золоти- ный
стый 0,52 Зеленый
0,22 Золотистый 0,54 Темновато-зеле-
0,25 Оранжевый ный
0,27 Красно-фиолето- 0,56 Зеленовато-жел-
вый тый
0,30 Фиолетово-голу- 0,57 Желтый
бой 0,58 Светло-оранже-
0,31 Г олубой вый
0,32 Зелено-голубой 0,60 Телесно-розовый
0,34 Светло-зеленый 0,63 Фиолетово-крас-
0,35 Зеленый ный
2 0,36 Темно-зеленый 0,68 Голубоватый
0,37 Зеленовато-жел- 0,72 Голубовато-зе-
тый леный
0,39 Желтый 4 0,77 Желтоватый
0,41 Светло-оранже- 0,80 Оранжевый
вый 0,83 Желтовато-розо-
0,42 Телесно-розовый 0,85 вый
0,44 Фиолетово-крас- Светло-краснова-
ный то-фиолетовый
148
в том, что тонкие прозрачные пленки SiCb, нанесенные на отражающую под-
ложку, изменяют свой цвет в зависимости от толщины. Метод получил назва-
ние цветового. В его основе лежит явление интерференции световых лучей, от-
раженных от границы раздела пленка — воздух и пленка — подложка. Оптиче-
ская разность хода этих лучей равна 2nd/cos0, где d — толщина пленки; 0 —
угол преломления лучей в пленке; п — показатель преломления пленки. Для
нормально падающего света с длиной волны X условиями интерференции с уси-
лением и ослаблением являются соответственно соотношения 2d = kK]n и
2d= (2&—l)X/2n (k — целое число).
При освещении пластины кремния с поверхностной пленкой SiO2 равно-
мерным нормально падающим белым светом цвет пленки создается той частью
спектра излучения, которая не ослабляется при интерференции. При измене-
нии d эта часть спектра изменяется, что влечет за собой смену цвета. Естест-
венно, что при косом освещении цвет пленки будет изменяться и зависеть от
угла преломления 0. В табл. 3.20 приведена зависимость цвета пленок 5Юг, по-
лученных методом термического отжига, от их толщины.
Цветовой метод относится к неразрушающим методам контроля толщины,
если толщина пленки приблизительно известна (с точностью примерно
±0,075...0,1 мкм). Если данные о возможной толщине отсутствуют, то на плен-
ке химическим травлением (обычно в плавиковой кислоте) создается клин трав-
ления. При этом образующаяся при освещении цветовая картина представляет
собой всю серию цветовых полос — от соответствующей максимальной толщины
до цвета неокисленного кремния, что позволяет установить порядок интер-
ференции.
Глава 4
Диффузия в полупроводниках
4.1. Физические процессы, происходящие при диффузии
примеси в полупроводниках
Диффузия в полупроводниках — процесс последовательного перемещения
атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движени-
ем. В полупроводниках существует два вида диффузии:
диффузия в кристалле, находящемся в состоянии химического равновесия,
т. е. при однородном химическом составе и однородном распределении собст-
венных дефектов — самодиффузия атомов растворителя;
диффузия в условиях, когда система не находится в состоянии химического
равновесия и градиенты химических потенциалов вызывают появление резуль-
тирующих химических потоков — химическая или взаимная диффузия
При повышенной температуре атомы в узлах решетки колеблются вблизи
равновесного положения.
Для изготовления р—n-переходов используется химическая диффузия при-
месных (растворенных) атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку
для изменения ее электрофизических свойств. Перемещение примеси в решетке
происходит посредством последовательных скачков, осуществляемых в трех на-
правлениях. При наличии градиента концентрации собственных или примесных
атомов точечные дефекты (атом в междоузлии или вакансии) оказывают влия-
ние на их диффузию.
К основным механизмам диффузии относятся следующие: прямой обмен
атомов, кольцевой, эстафетный, краудионный, диссоциативный, вакансионный.
В общем случае диффузия анизотропна. Однако в кубической решетке из-за
ее симметрии диффузия изотропна. Процессы изотропной диффузии описываются с
помощью коэффициента диффузии D, который является скалярной величиной
и определяется из первого закона Фика. При одномерной диффузии
j=DdN]dx, (4.1)
119
где j — плотность потока атомов или дефектов вещества; D — коэффициент диф-
фузии; N — концентрация атомов или дефектов вещества.
Температурная зависимость коэффициента диффузии
О=£)0е-£«/и’, (4.2)'
где Dq — постоянная величина в пределах сотен градусов, при которых осуще-
ствляется диффузия; Е&—энергия активации для скачка атома; k — постоянная
Больцмана; Т — температура диффузии.
Изменение концентрации растворенного вещества во времени при одномер-
ной диффузии определяется вторым законом Фика:
dt дх \ дх /
(4.3)
При диффузии на небольшую глубину с относительно низкой концентрацией
примеси (концентрация электронов и дырок ниже концентрации собственных
носителей п или p<rii при температуре диффузии) коэффициент диффузии не
зависит от концентрации, поэтому уравнение (4.3) можно записать:
dN_ _ D d2N
dt дх
(4.4)
Однако при высоких уровнях легирования наблюдается значительное уве-
личение коэффициента диффузии, что имеет место при влиянии на движение
примеси возникающего при химической диффузии электрического поля и при
взаимодействии примеси и точечных дефектов с точечными дефектами, находя-
щимися в различном заряженном состоянии.
Движение примеси в электрическом поле. При диффузии примеси по вакан-
сионному механизму вследствие того, что более подвижные носители заряда
обгоняют ионы примеси, находящиеся в узлах решетки, и создают пространст-
венный заряд, возникает электрическое поле, которое обусловливает появление
силы, действующей на ион примеси, и появляется дрейфовая составляющая ско-
рости. Движения примеси, обусловленные диффузией и дрейфом в электриче-
ском поле, рассматриваются как независимые события
дх
4-ЦЛ8,
где ц — подвижность примеси; е — напряженность электрического поля.
Электрическое поле возникает при диффузии примесей по вакансионному
механизму в кристаллах с высоким уровнем легирования, если полупроводник
остается собственным при температуре диффузии, т. е. когда концентрация при-
меси, включая уровень легирования подложки и концентрацию легирующей при-
меси, не превышает при температуре диффузии концентрацию собственных но-
сителей На рис. 4.1 показана концен-
трация собственных носителей в кремнии при
различных температурах.
Под действием электрического поля
примесь диффундирует с некоторым коэффи-
циентом диффузии £)Эф, который может уве-
личиваться почти вдвое:
РЭф = D (14- dnjdN),
где dn/^=0,5{l+[l + (2ni/JV)2]“V2}.
Рис. 4.1. Зависимость концентрации собствен-
ных носителей в кремнии от температуры
150
При наличии электрического поля второй закон Фика (4.4) преобразуется:
dN d2N dN
dt & dx2 118 dx
Взаимодействие примесей с точечными дефектами. При высоком уровне
легирования, когда концентрация примеси превышает гц(Т), коэффициент диф-
фузии может увеличиваться за счет взаимодействия с точечными дефектами в
кристалле — нейтральными и заряженными:
D==D? (p/mJ+Df (n/iu)2+D?-
где , D3~— собственные коэффициенты диффузии в усло-
виях низкой концентрации, обусловленные взаимодействием с нейтральными ва-
кансиями, положительно и отрицательно одно-, двух-, трехзаряженными соот-
ветственно.
С учетом электрического поля
Оэф=Л[О0 +Df (plm)+D-j- (nfru)+D*~ (n/m^+D^ («/««)»],
где
/i=l + [l + (2ni/A92]_V2.
Например, для кремния, имеющего заряженные вакансии E+t Е~, Е2~
(рис. 4.2), коэффициент диффузии
Оэф=Л[О? +£>/• (Plmj+Df (n/nf)+Dj- (nfm)2]. (4.5)
Примеси, диффундирующие по межузельному механизму в кремнии, принад-
лежат к примесям внедрения. К ним относятся элементы I и VIII групп Пе-
риодической системы элементов — литий, натрий, калий, аргон, гелий, водород.
Обычно эти примеси электрически неактивны, кроме лития, действующего как
донор в кремнии.
Примеси, диффундирующие по вакансионному механизму, относятся к при-
месям замещения. Их движение зависит от количества точечных дефектов в
кристаллической решетке и их заряда. К ним относятся примеси, принадлежа-
щие к III и V группам Периодической системы элементов. Для изготовления
р — «-переходов в кремнии в основном используются алюминий, бор, галлий,
индий, сурьма, мышьяк, фосфор.
На рис. 4.3—4.5 представлены коэффициенты диффузии примесей замещения
в кремнии.
Диффузия бора в кремнии изотропна, если выполняется в нейтральной сре-
де, и тогда D=3,17 exp (—3,59/^7). В окисляющей атмосфере коэффициент
I I 0^£>эВ
J
Рис. 4.2.
тический
вакансий
НИИ
Энерге-
спектр
в крем-
+ + + t + + + + + + + + + + + + + + +
0.06...0J63B
151
Рис. 4.3. Зависимость коэффициента
диффузии бора в кремнии от тем-
пературы в нейтральной (1, 2) и
окисляющей (3, 4) средах:
1 — с образованием пары примесь — иони-
зированная вакансия; 2 — пары примесь —
нейтральная вакансия; 3 — по направле-
нию к плоскости (111); 4 — по направле-
нию к плоскости (100)
Рис. 4.4. Зависимость коэффициента
диффузии фосфора и мышьяка в
кремнии от температуры:
1 — с образованием нейтральной вакан-
сии; 2 — отрицательно заряженной вакан-
сии; 3 — двукратной отрицательной ва-
кансии
TtK
Рис. 4.5. Зависимость коэффициента
диффузии сурьмы от температуры
Рис. 4.6. Зависимость концентрации
собственных носителей 1Це в кремнии
от температуры для предельной рас-
творимости мышьяка (1) и фосфо-
ра (2)
152
диффузии бора увеличивается в значительной мере для ориентации (100) и
несколько меньше для (111).
Мышьяк и фосфор используют, когда требуется сильное легирование. При
этом особую важность приобретает взаимодействие примеси с вакансиями.
На рис. 4.6 представлены данные концентрации собственных носителей в
кремнии для легирования кремния в условиях предельной растворимости фос-
фора и мышьяка в кремнии.
Большинство примесей, например кобальт, медь, золото, железо, никель,
платина, серебро, диффундируют по диссоциативному механизму и относя^я
к примесям внедрения и замещения. Все эти примеси уменьшают время жиз-
ни неосновных носителей в кремнии и считаются поэтому основными загряз-
няющими примесями.
Для примесей, диффундирующих по диссоциативному механизму, коэффи-
циент диффузии определить сложно, поскольку:
1. Эти примеси обычно диффундируют со скоростью, превышающей ско-
рость примеси замещения на 5...6 порядков, поэтому значительный вклад в
ошибку определения D вносят процессы охлаждения пластин до комнатной
температуры. При быстром охлаждении вносится большое количество дефек-
тов в решетку, которые затрудняют интерпретацию происходящих процессов,
так как примесь преимущественно диффундирует к местам скопления де-
фектов.
2. При охлаждении полупроводника большинство примесей замещения-внед-
рения могут занимать как электрически активные, так и электрически неак-
тивные состояния. Так, 90% золота находится в активном состоянии, а нике-
ля— только 10%.
3. Движение примесей описывается коэффициентом диффузии, который за-
висит от температуры, и концентрации.
4. Ионизированная примесь может образовывать один или более глубоких
уровней в запрещенной зоне. Поэтому значение диффузионных параметров этих
примесей нельзя определять с помощью измерения параметров р — п-перехода,
как, например, для примесей замещения.
5. В результате взаимодействия между примесями внедрения-замещения и
напряжениями, связанными с дислокациями, происходит образование кластеров
прймесей в соседних с такой дислокацией областях. Коэффициент диффузии
приобретает сильную зависимость от степени дефектности материала. Кроме
того, в интервале температур изготовления приборов многие примеси образуют
соединения с кремнием. Кремний, легированный такими примесями, очень чувст-
вителен к температурным воздействиям.
Для уменьшения времени жизни носителей заряда в кремнии применяется
золото, которое обеспечивает относительно высокую предельную растворимость
и не образует соединений с кремнием.
На рис. 4.7 — 4.9 приведены данные по диффузии золота и платины. Пла-
тина является заменителем золота в кремнии.
Профиль легирования кремния золотом не определяется. Диффузия зо-
лота на практике проводится в течение примерно 15...30 мин при температуре,
определяемой экспериментально.
;----------------------------Ес
0,54 зВ
"----------------------------Е;
*0,13 эВ
+ + + + Чт + + + + + + + + + £/
б)
Рис. 4.7, Энергетические уровни золота (а) и платины (6) в кремнии
а)
153
Рис. 4.8. Зависимость концен-
трации золота в узлах (/) и
междоузлиях (2) в кремнии
Рис. 4.9. Зависимость коэффициента диф-
фузии золота в узлах (/) и междоузли-
ях (2) в кремнии от температуры
Платина также имеет относительно высокую предельную растворимость в
кремнии, может диффундировать по узлам к междоузлиям, ее коэффициент
диффузии определяется также с большой погрешностью.
При диффузии платины в кремнии около 90% ее находится в междоузли-
ях и является электрически активной. При этом в запрещенной зоне Si появ-
ляется донорный уровень Ei+ и акцепторный уровень Е{~ (рис. 4.7). В отличие
от золота имеется также акцепторный уровень Е2~, который является опреде-
ляющим для контроля времени жизни неравновесных носителей заряда. При-
месные уровни платины в кремнии асимметричны, а акцепторный уровень зо-
лота лежит почти в центре запрещенной зоны. Поэтому при использовании
платины для уменьшения времени жизни неравновесных носителей заряда в
кремнии не наблюдается такого увеличения токов утечки, как для легирующих
примесей золота.
4.2. Расчет распределения примеси при диффузии
Диффузия при постоянном коэффициенте диффузии. Диффузия в п о -
лубесконечное тело из бесконечного источника (с постоянной
концентрацией примеси в источнике) описывается уравнением
N(x, O=M)erfc —*— (4.6)
2И Dt ’
где N (х, 0 — концентрация примеси на расстоянии х от поверхности, см~3;
No — поверхностная концентрация примеси, см~3; D — коэффициент диффузии
примеси при температуре диффузии, см2/с; t — продолжительность диффузии, с.
154
Если р — n-переход при таком распределении примеси расположен на глу-
бине х, то
х
#oerfc ----—_ = М в,
2У Dt
где #п— концентрация примеси в подложке, см~3.
На рис. 4.10 изображен профиль легирования из источника с постоянной
концентрацией.
Диффузия в по л у бес к онечное тело из ограниченного
источника описывается уравнением
Nix. D = —— е-(х/2 VW . (4.7)
VnDt
Количество диффузанта которое необходимо для диффузии по закону
ехр(—z2), где z= —(х/2уР/)2, очень мало. Такое количество примеси можно
ввести ионным легированием или предварительным проведением диффузии
(преддиффузии) при низкой температуре в течение короткого времени, достаточ-
ного, чтобы сформировать источник на поверхности с малым содержанием при-
меси:
где Qo — количество примеси, поступающее в кремний в течение преддиффу-
зии, ат./см2; Afoi—поверхностная концентрация при температуре преддиффу-
зии, ат./см3 £>i — коэффициент диффузии при температуре преддиффузии, см2/с;
Л— продолжительность преддиффузии, с;
N (х, tu /2) = М У'2 е , (4.8)
Я \D2l2 /
где индексы 2 относятся к разгонке примеси из источника, сформированного
на преддиффузии (индексы 1).
Уравнение (4.8) справедливо для случая, когда
На рис. 4.11 изображен профиль легирования из ограниченного источника.
Оба профиля легирования по закону erfcz и exp(--z2) изображены на рис. 4.12,
а на рис. 4.13 показано формирование областей базы ехр(—z2) и эмиттера
erfcz биполярного транзистора и указаны возможные значения глубины в слое.
Рис. 4.10. Профиль легирования из
бесконечного источника
Рис. 4.11. Профиль легирования из
органического источника
155
Рис. 4.12. Профили распределения
примеси по закону erfc z и exp ( — г2)
Рис. 4.13. Формирование областей
базы и эмиттера биполярного тран-
зистора
Двухстадийная диффузия начинается с проведения процесса диф-
фузии из бесконечного источника при низкой температуре в течение короткого
времени. Затем поступление примеси прекращается путем проведения процесса
в окислительной атмосфере. Образующийся при этом окисел препятствует как
диффузии примесей с поверхности пластин в кремний, так и из кремния наружу.
Когда DiG<<D2/2, реализуется распределение по закону ехр(—z2) (Гаусса),
а для Z)1/;^>D2/2 реализуется распределение по закону erfc(-z). Индексы 1 и
2 относятся соответственно к преддиффузии и разгонке. Однако на практике не
выдерживается ни одно из этих условий, и распределение примеси определя-
ется как
W(x,
е-|3(1 + и2)
-----Г7Т7 dv’
где
v= ——) ; 3= —7 ~
\D2t2l iVD^DJ,
Поверхностная концентрация после разгонки примеси
м 2^1 I 1
Л^о2= ---arctg”1 у;
л
N(x, tlt t2) i p'e-Pa+t'2)
Л^о2 arctg”1 v\ J 1 + v2
(4.9)
На рис. 4.14 показаны нормализованные концентрационные профили для
различных v,
156
Рис. 4.14. Профили распределения
при двухстадийной диффузии
Рис. 4.15. Нормализованные диффу-
зионные профили для концентраци-
онно-зависимой диффузии
Последовательная диффузия. Так как для изготовления прибо-
ров требуется несколько термических процессов, то в уравнениях вместо Dt
следует учитывать величину (£/)Эф:
(Dt)Эф = S (D\ti + 4"5
где индексы 1, 2 и т. д. относятся к 1-й, 2-й и т. д. термическим операциям,
при которых происходит диффузия примеси.
Диффузия из линейного источника. Это — пример прямого
решения трехмерного уравнения диффузии. Он имеет практическое значение
в быстродействующих приборах с мелкими диффузионными слоями.
Распределение примеси диффузии в полубесконечную область на расстоя-
нии г от источника
O1F
Н(г, 0= о пГ *~r2'4Dt (4.10)
где W — ширина щели; Q — поверхностная плотность примеси, ат./см2.
Диффузия из ограниченного источника конечной ши-
рины
N(x.
—erf
X—Xq \ e / X-J-Xq
—-—- I —erf -----—
2yDt J \2Vdi
где Nq — концентрация примеси в
ная концентрация примеси
tf(0, О=^о
источнике конечной ширины х0. Поверхност-
1—erfc
Хр
2]/~Dt
Диффузия наружу из однородно легированного скры-
того слоя. Скрытый однородно легированный до концентрации N+ слой рас-
полагается в подложке на расстоянии от х==0 до х=х+. Затем на этой под-
ложке наращивается нелегированная эпитаксиальная пленка, имеющая толщину
от х — 0 до х=—хэп. Распределение примеси при диффузии наружу из скрытого
слоя в эпитаксиальную пленку при условии —хЭп<*<0
N+ Г
Л/ (х, t) « —— erfc
—X \ „ /2Хэп + х\ р / х+— X
--zz I +erfc ——erfc | ——г
21/’^/ \2yDt / \2уDt
157
/ 2хэп—
—erfс [ ----—— 1 •
Dt /.
Здесь Dt является эффективной величиной, определяемой высокотемпературны-
ми процессами изготовления скрытого слоя и наращивания эпитаксиальной
пленки.
Двусторонняя диффузия. Диффузия в обе стороны пластины тол-
щиной х0 описывается уравнением
ЛГ(х, O=aJ1- —
L JI 1 х0 /.
где N0=N (0, t)=N (х0, t) для всех t.
Диффузия наружу с обеих сторон однородно легированной пластины тол-
щиной х0
N(x, t) =--- е 0 sin —I .
тс L \ *о / _
Диффузия с изменяющимся во времени коэффициентом
диффузии. Диффузия происходит при изменяющейся температуре (печь
охлаждается для проведения загрузки или выгрузки пластин при пониженной
температуре, а затем нагревается до рабочей температуры диффузии).
Коэффициент диффузии примеси
0(0 = Р(То)е“(с£°/*Г^< .
где D(Tq)—коэффициент диффузии при рабочей температуре То; с— скорость
охлаждения (нагрева) печи;
ЬТ2
О(0эф«Р(Т0) — • (4.11)
сЕа
При диффузии в условиях охлаждения (нагрева) полупроводниковой под-
ложки учитывается дополнительное время, эквивалентное kT^jcEz при рабочей
температуре.
Диффузия при коэффициенте диффузии, зависящем от концентрации. Для
обеспечения высоких уровней легирования диффузию примеси производят из
бесконечного источника. Коэффициент диффузии при этом зависит от концен-
трации. Распределение примеси получается более резким, чем распределение по
дополнению к функции ошибок, для которого коэффициент диффузии не зави-
сит от концентрации, N3Q3 и Dn03 принимаются постоянными при температуре
диффузии.
Возможны следующие случаи диффузии:
а) D=DDOb№ob); (4.12)
Ь) /)=Рпов(Л//^пов)2; (4.13)
с) Z)=DnOB(^HOB)3, (4.14)
где Л^пов—поверхностная концентрация; Da03— коэффициент диффузии при
этой концентрации.
Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника с кон-
центрационно-зависимым коэффициентом диффузии изображено на рис. 4.15.
Для сравнения показано распределение с постоянным и не зависящим от кон-
центрации коэффициентом диффузии. В табл. 4.1 приведены значения концентра-
ции примеси для диффузии с концентрационно-зависимым коэффициентом
диффузии.
Глубину диффузии определяют по уравнениям:
х, = 1,616(Опо»01/2. D~N; (4.15)
13)8
zj= 1,092(0.0./)’2. D~N\ (4.16)
Zj=0,872(Dno./)1/2, D~№. (4.17J
В некоторых случаях диффузия примесей характеризуется комбинацией
уравнений (4.12) — (4.14). Тогда глубина перехода может находиться в интервале,
определяемом уравнениями (4.15) — (4.17).
Диффузия из легированного окисла. На рис. 4.16 показана схема диффузии
из окисла, где область I — осажденный окисел с первоначальной концентраци-
ей и толщиной —хв', II — полупроводниковая подложка; III — нелегиро-
ванный (барьерный) слой толщиной хв-
Таблица 4.1. Численные решения уравнения для концентрационно-
зависимой диффузии
У- х 7V—N (х, О/Л^пов
2^ ^пов^ а Ъ с
0,001 0,999 0,999 0,999
0,005 0,996 0,996 0,997
0,01 0,991 0,992 0,993
0,02 0,982 0,985 0,986
0,05 0,955 0,961 0,964
0,10 0,907 0,918 0,925
0,15 0,858 0,872 0,881
0,20 0,807 0,822 0,830
0,25 0,783 0,766 0,769
0,30 0,697 0,703 0,697
0,32 0,674 0,677 0,663
0,34 0,650 0,648 0,624
0,36 0,626 0,617 0,577
0,38 0,602 0,584 0,521
0,40 0,578 0,550 0,449
0,42 0,553 0,512 0,340
0,43 — 0,237
0,435 — — 0,058
0,436 — — 0,000
0,44 0,528 0,471 —
0,46 0,503 0,425 —
0,48 0,477 0,373 —
0,50 0,451 0,312
0,52 0,425 0,234
0,54 0,398 0,107
0,545 — 0,022
0,546 0,56 0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,808 0,370 0,343 0,315 0,287 0,258 0,229 0,199 0,169 0,139 0,108 0,077 0,045 0,013 0,000 0,000
Г59
I ш к
Легированный • окисел ",<0, Кремний г
-х0 -хв о -^х
Рис. 4.16. Схема процесса диффузии
из легированного окисла в полупро-
водниковую подложку через барь-
ерный окисел
Для случая,
в кремнии
когда Xq—xb~V Dit]
выражение для концентрации примеси
t) =NX
1 + k
хв+mkx
erf<W^
(4.18)
где (l/m)}/D1/D2; tn — коэффициент сегрегации примеси на границе оки-
сел — полупроводник.
Для случая, когда отсутствует нелегированный барьерный окисел (хв=0),
уравнение (4.18) существенно упрощается и сводится к простому случаю диф-
фузии из полубесконечного источника в полубесконечный объем или диффузии
по закону erfc г:
mkx
N2{x, O=^erfc 2у— , (4.19)
где Na — эквивалентная поверхностная концентрация, Не зависящая от времени
диффузии, NS=NiVDi7Z>2/(1+-----VO1/O2).
tn
Для пластин с удельным сопротивлением более 2 Ом-см и в случае от-
сутствия барьерного нелегированного окисла поверхностная проводимость
а= — =8,15-10-23pA'sVAD2/,
Rs
где R8 — поверхностное сопротивление, обычно измеряемое четырехзондовым ме-
тодом; р, — эффективное значение подвижности носителей заряда. Постоянная,
равная 8,15-10-23, содержит заряд электрона и коэффициент растекания тока
для четырехзондового метода. Глубина перехода
Xj=2y£>2/ arg erfc [2VB/2Ve],
где Nb — объемная концентрация в полупроводниковой подложке.
Коэффициент диффузии примеси Di в окисле
£>1=хвуо2/(х;)м—(х,)в,
где (Xj)N — глубина диффузионного слоя, полученного без барьерного окисла;
(Xj)b — глубина диффузионного слоя с тонким барьерным окислом хв.
Коэффициент сегрегации примеси при известных Di и D2 при отсутствии
барьерного окисла
1
При расчете профиля распределения примеси диффузанта в полупроводнике
в случае высоких концентраций в уравнении (4.18) следует учитывать концен-
трационную зависимость коэффициента диффузии D2 в соответствии с (4.5).
На рис. 4.17 (кривая 1) представлено теоретическое распределение примеси
в подложке, соответствующее диффузии из бесконечного источника в полуогра-
ниченное тело (4.18). Однако на практике диффузия примеси проводится в
окислительной атмосфере. Процесс окисления и связанное с ним движение гра-
ницы раздела фаз в системе легированный окисел — кремний может существен-
но изменить концентрационное распределение примеси.
В условиях достаточно высокой скорости роста окисла, например проведе-
160
Рис. 4.17. Распределение фосфора в
кремнии при диффузии из ограни-
ченного источника:
1 — диффузия примеси в неокисляющей
среде; ? — диффузия с одновременным
окислением
Рис. 4.18. Зависимость поверхност-
ной концентрации фосфора от про-
должительности диффузии из леги-
рованного SiO2, содержание примеси
в источнике:
1—2 мае. доли, %; 2 — 1 мае. доля, %
распределение примеси в подложке оп«-
ние процесса во влажном носителе,
сывается следующим уравнением:
л?2=---------т=------- г_____________
mS/82-Ьг D2/D[S 18/4- l/2Kj у n/DiSz'S^b—m)
X
x bf(p~j/~ t
Xerfc
где 51=егГсЛР/2уО1; S1'=exp(-KP2/4A1); S2=erfc bKP/2\D2; S,'=
=exp(—b2Kp2/4D2); Kp — константа параболического роста окисла; b—соот-
ношение молярных объемов кремния и его окисла.
Эффективная поверхностная концентрация (х=0)
JV2S= . г~~ •
Щ-Ь г 1/2/Ср(Ь—tn)
В условиях, когда скорость роста промежуточного окисла невелика, на-
пример диффузионное легирование проводится в сухом кислороде или в смеси
кислорода с инертным газом, распределение примеси в подложке описывается
уравнением
2(m+V D2/Dt)
/ x+bkit
erf с ---—г
\2Уо2<
+ ехр
/ LL „ \ / X^bk[t\
I bkjX J erfc J —- J
\ D2 J \2VD2t/
+
4.------^2-----y, fr(fei/2 Аг)" У^_т)п/г-1 Г , /x+&ferr \
r(n/2)n! ° L
+ e«p (4.20)
I °- / Wo,JJ
где Г (n/2) — гамма-функция Эйлера;
a d" f (1 + (A2/Ai)«2)'/2(1+ b2«2)’/2— [(D2/D1)V2+2m-&]a 1
11 Заказ № 1270
16t
ki—скорость движения легированного окисла относительно границы раздела
фаз; ^==£р/2(х0+1/2)А; т= (xQ2-\-AxQ)/kp’, xG — начальная толщина источника
в соответствии с барьерным окислом КР21А — константа линейного роста окисла.
Первый член, стоящий в правой части уравнения (4.20), представляет со-
бой распределение примеси в том случае, когда концентрация примеси на гра-
нице раздела остается постоянной, а граница движется со скоростью bki. Мож-
но учитывать только этот член, если выполняется соотношение ^D^kitx/2 и
коэффициент диффузии примеси в окисле велик. Однако для примесей бора,
фосфора коэффициент диффузии незначителен, и практически для всех про-
должительностей отжига учитывают все последующие члены.
На рис. 4.17 (кривая 2) представлено теоретическое распределение примеси
в подложке, вычисленное по формуле (4.20) для значений параметров
\[2bki^Dxtx/2 и ^D2fD} равных соответственно 10~2 и 20. Эти величины соответ-
ствуют 10-минутной диффузии фосфора в кремнии при температуре 1373 К.
Из сравнения кривых 1 и 2 видно, что процесс окисления сильно снижает кон-
центрацию примеси по всей глубине диффузионного слоя. Особенно сильно это
сказывается на величине поверхностной концентрации, которую находят, поло-
жив в уравнении (4.20) х=0:
.. ^0 Г. s, ! bit'/*
Г(Л/2)Л/П
Сравнение теоретической зависимости (4.19) с экспериментальными данными
(рис. 4.18) для диффузии фосфора из пленок SiO2, осажденных из раствора,
свидетельствует об удовлетворительном согласии теории с экспериментом.
В табл. 4.2 приведены значения коэффициентов сегрегации элементов III
и V групп для системы Si—SiO2.
Таблица 4.2. Коэффициенты сегрегации
примесей в окисле
(4.22)
Примесь
m=r-NSiOjNSi
Галлий
Бор
Алюминий
Фосфор, мышьяк, сурьма
0,001...0,05
2...10
103
0,1...0,001
Рис. 4.19. Зависимость толщины
маскирующей пленки SiO2 от режи-
мов проведения диффузии бора
Рис. 4.20. Зависимость толщины
маскирующей пленки SiO2 от режи*
мов проведения диффузии фосфора
162
Обычно в диапазоне температур, используемых для изготовления р —я-пе-
реходов, коэффициенты диффузии основных легирующих примесей (В, As, Р,
Sb) низки. Галлий является быстрым диффузантом в SiO2.
• Коэффициенты диффузии элементов III и V групп в SiO2 в большой сте-
пени зависят от их концентрации, от структуры окисла. Коэффициент диффу-
зии в окисле, получаемый во влажной атмосфере, почти в 2 раза превышает
коэффициент диффузии в окисле, полученном в сухом кислороде.
При проведении локальной диффузии через маску SiO2 следует учитывать
возможность потери маскирующих свойств окисла. На рис. 4.19 и 4.20 изобра-
жены типичные зависимости необходимой толщины термической пленки SiO2,
при которой окисел препятствует диффузии бора и фосфора в кремнии, для
различных температуры и длительности диффузии.
4.3- Диффузия примесей III и V групп в кремнии
с коэффициентом диффузии, зависящим от концентрации
примеси
В планарной технологии кремниевых приборов для изготовления р— п-пе-
реходов применяются примеси замещения. Если требуется получить глубокие
слои с относительно низкой концентрацией, то их диффузию характеризуют не-
зависимым от концентрации коэффициентом диффузии. Для мелких диффузи-
онных слоев с высокой концентрацией примеси коэффициент диффузии является
функцией концентрации и определяется из уравнения (4.5). Очень часто решить
это уравнение численными методами трудно или невозможно. Поэтому ниже
приводятся приближенные решения уравнения коэффициента диффузии для
некоторых широко применяемых примесей III и V групп.
Диффузия мышьяка в кремнии. Концентрационно-зависимый коэффициент
диффузии мышьяка в кремнии описывается уравнением (4.5), но при этом учи-
тывается взаимодействие пар As(/—V0) и As(/— У~):
Р=/1[П^+Пг-(п/пг>)],
где nie — собственная концентрация электронов для диффузии, ограниченной
предельной растворимостью примеси при ее высокой концентрации (см. рис. 4.6).
Фактор влияния поля h для такой диффузии равен примерно 2. Так как
концентрация электрически активной примеси А соответствует определенной
общей концентрации примеси и N^riie, то уравнение (4.5) преобразуется в
D^2Dt(A/n{e).
Это уравнение приводится к (4.12), а профиль легирования соответствует
кривой а на рис. 4.15. Глубина диффузии не зависит от концентрации примеси
в подложке и определяется уравнением (4.15) ^«1,616 (РповО1/2. Из (4.15)
получают
DnoB«2D<-(AfnoB/M; х,=2,29(Апов/Пгв)1/2Р«~ Q1/2
где Dt-=22,9e-4’1/^.
Решение уравнения в конечной форме можно привести к многочлену
А=Ап о в (1 -0,87 У—0,45 У2),
где У=х(4ПповО-1/2. (рис. 4.21).
Диффузия бора в кремнии. Так как обычно используемые диффузионные
слои, легированные бором, имеют относительно низкую концентрацию, то диф-
фузию бора характеризуют постоянным коэффициентом диффузии. Для высо-
ких концентраций следует пользоваться уравнением (4.5). Учитывая взаимо-
действие дефектов типа ион-нейтральная вакансия B(I— V0) и B(I— V+), коэф-
фициент диффузии можно записать так:
11*
163
Это уравнение упростить нельзя, за исключением того, что фактором h обычно
пренебрегают. Однако можно предположить, что профиль легирования бором
будет более крутым, чем для erfc-распределения, когда D=const.
На основании данных, полученных для большого числа процессов диффузии
с высокой концентрацией бора Мпов^>2-1019 см”3 в подложку с концентрацией
примеси ниже 1018 см-3, имеем приближенное уравнение для глубины диффузии
х, ~ 2f45(NUO3/ni)i/2(Dt)42i
где D=3,17e~3’69/AT.
В этом случае профиль легирования приближенно представляется уравне-
нием М=Мюв(1—• У2/3), где У=х2/6£)повЛ
На рис. 4.21 изображено такое распределение бора, а для сравнения при-
ведено распределение мышьяка в кремнии по erfc-функции с постоянным коэф-
фициентом диффузии. Реальный профиль легирования бором занимает среднее
положение.
Диффузия фосфора в кремнии. Эффективный коэффициент диффузии фос-
фора в кремнии включает взаимодействия P(I— Vo) (ион-нейтральная вакансия),
Р(1—V”) и Р(1—V2) (ион — одно- и двукратнозаряженная вакансия). В ре-
зультате, когда уровень Ферми опускается ниже уровня V2-, профиль легиро-
вания определяется диссоциацией пар Р(1—V2-). Описать такую ситуацию урав-
нением невозможно. Более детально профиль легирования кремния фосфором
будет рассмотрен ниже.
Боковая диффузия. В технологии изготовления ИС диффузия часто произ-
водится в окна, выполненные в маскирующем покрытии на поверхности под-
ложки. Одномерное уравнение диффузии удовлетворительно описывает диффу-
зию, за исключением краев окна. Здесь примесь диффундирует как в глубь
подложки, так и в горизонтальном направлении под маскирующее покрытие.
На рис. 4.22, а изображен контур постоянной концентрации при диффузии
примеси в окно из источника с постоянной концентрацией и независимым от
концентрации коэффициентом диффузии. Этот профиль фактически указывает
положение перехода, созданного диффузией в подложку, имеющую различную
концентрацию примеси. Как видно из рисунка, боковое проникновение примеси
составляет 75...85% от глубины диффузии в вертикальном направлении для кон-
центрации примеси в подложке, которая на два порядка или более ниже по-
верхностной концентрации примеси в слое.
На рис. 4.22, б изображен контур постоянной концентрации примеси при
диффузии из ограниченного источника с независимым от концентрации коэффи-
циентом диффузии. И в этом случае глубина боковой диффузии составляет
75...85% от вертикальной для концентраций примеси в подложке, которые на
два порядка или более ниже поверхностной концентрации примеси в слое.
Из-за истощения источника иногда контур постоянной концентрации примеси
заканчивается в области, лежащей внутри окна. Однако на практике этим пре-
небрегают, так как диффузию проводят в
подложку с поверхностной концентрацией при-
меси много ниже поверхностной концентрации.
Особый интерес представляет случай из-
готовления мелкого перехода с высокой кон-
центрацией, когда диффузия характеризуется
концентрационно-зависимым коэффициентом
диффузии. Как уже было показано, профиль
легирования
правлениях,
значительно
65...70% от
Иногда
может реализоваться диффузия из линейного
источника. Тогда уравнение диффузии (4.10)
здесь более резкий в обоих на-
боковая диффузия происходит на
меньшую глубину и составляет
вертикальной.
ширина окна настолько мала, что
Рис. 4.21. Нормализованные профили легиро-
вания для бора и мышьяка
164
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 0,5 1,0 1,5 2.0 2,5
I/?./Tit
б)
Рис. 4.22. Диффузионные контуры на краях окна в окисном маскирующем
покрытии
описывается в цилиндрических координатах. Распределение примеси экспонен-
циальное. Диффузионный слой, сформированный диффузией в такое узкое
окно, будет иметь меньшую глубину, чем в широкое окно.
4.4. Аномальные результаты процесса диффузии примесей
III и V групп в планарной технологии кремниевых приборов
В планарной технологии изготовления кремниевых приборов диффузия
примесей часто сопровождается отклонениями от описанных законов.
Перераспределение примеси при окислении. В качестве маски, в окна ко-
торой проводится максимальная диффузия примеси в кремний, обычно исполь-
165
зуется слой термического диоксида кремния SiO2, выращенный на пластинах в
окислительной атмосфере при определенной температуре в печи. Окисление мож-
но совмещать с разгонкой примеси. Это удобно, так как поверхность кремния
одновременно с разгонкой примеси покрывается защитной пленкой SiO2, пред-
отвращая испарение примеси с поверхности кремния и подлегирование соседних
участков, а также исключается дополнительный процесс маскирования.
При окислении определенное количество примеси из кремния переходит в
окисел. Мерой такого перераспределения примеси является скорость, с которой
расходуется кремний на формирование SiO2, а также коэффициенты диффузии
и растворимость примесей в кремнии и двуокиси кремния.
Значения отношений равновесной концентрации некоторых примесей в крем-
нии к равновесной концентрации в окисле (коэффициент сегрегации примеси) т
в системе Si—SiO2 приведены в табл. 4.9. Для бора т является функцией
ориентации:
т(100) 33e-°>52/fer;
m(lll) — 20e-°’52/fer.
Если щ<1, то растущий окисел поглощает примесь из кремния. Так, при
окислении наблюдается обеднение поверхности кремния бором, имеющим коэф-
фициент т^О, 15...0,3 для температур 1273...1423 К. Количество захваченного
окислом бора определяется скоростью, с которой бор диффундирует через
SiO2 к поверхности и переходит в газовую среду.
Если щ>1, то растущий окисел оттесняет примесь. Если примесь диффун-
дирует через окисел медленно, как, например, фосфор, то она скапливается на
поверхности кремния. Если же примесь, например галлий, диффундирует быст-
ро, то возможно обеднение поверхности примесью.
Если т=1, то окисление приводит к обеднению поверхности кремния при-
месью. Это происходит потому, что объем выращенного окисла почти вдвое
превышает объем кремния (для выращивания на пластине слоя SiO2 толщиной
Рис. 4 23. Перераспределение профилей концентрации примеси на границе
окисел — кремний
166
Рис. 4.24. Профили легирования бо-
ром для разгонки с одновременным
окислением
Рис. 4.25. Зависимость коэффициен-
тов диффузии бора в кремний от
окисляющей среды
1 мкм расходуется 0,45 мкм кремния подложки) и некоторая часть примеси
продиффундирует из сильнолегированной поверхности кремния в слаболегиро-
ванный окисел.
На рис. 4.23 изображена равновесная концентрация примеси в однородно
легированном кремнии при наличии на его поверхности термического окисла.
На практике происходящие явления более сложные, так как кремний может
быть легирован неоднородно или примесь может диффундировать одновременно
и в кремний, и в растущий окисел.
На рис. 4.24 представлены расчетные профили легирования бором для раз-
гонки с одновременным окислением (т —0,1) и значением D/=3,6-10~12 см1 2 на
стадии загонки. Коэффициент диффузии бора в кремнии и диоксиде кремния
при температуре разгонки составляет 6,0-10~13 и 1,02*10"13 см2/с соответственно.
Как видно, эффектом перераспределения пренебрегать нельзя. Обычно в тече-
ние 45 мин разгонки при 1473 К (45 мин в сухом кислороде, затем 30 мин во
влажном кислороде) поверхностная концентрация бора уменьшается примерно
на 50% относительно того ее значения, если бы перераспределение отсутство-
вало.
На практике эффект накопления фосфора на поверхности кремния у грани-
цы Si—S1O2 незначителен и им пренебрегают.
Отклонения при диффузии бора в кремнии. Диффузия бора в кремнии
изотропна, когда она производится в инертной среде (в азоте). В окисляющей
среде значение коэффициента диффузии бора выше обычного и является функ-
цией ориентации. Наибольшее значение наблюдается для кремния с ориента-
цией < 100> и несколько ниже для ориентации < 111 >. На рис. 4.25 изобра-
жены кривые Di = DiQ+Di+ для окисляющей (штриховая линия) и инертной
среды.
Анизотропия диффузии бора в окисляющей атмосфере объясняется следую-
щим образом. Известно, что движение бора в кремнии определяется взаимо-
167
действием между примесными атомами и вакансиями Vo и V+. Кроме того,
значительная часть бора диффундирует по эстафетному механизму. При этом
атом бора выталкивает один из ближайших соседних атомов кремния в межуз-
лие и занимает образовавшуюся вакансию. При определенной температуре диф-
фузии существует равновесная концентрация атомов кремния в междоузлиях.
Если диффузия происходит в неокисляющейся атмосфере, то рассматривается
взаимодействие атомов бора с межузельным кремнием. Сложнее, когда диффу-
зия и окисление происходят одновременно. Неполное окисление кремния на
границе Si—SiO2 приводит к формированию межузельных атомов кремния
сверх равновесного значения Концентрация их зависит от скорости роста окис-
ла ориентации кремния. Повышенная концентрация кремния в межузлиях при-
водит к ускорению диффузии атомов бора. Если же диффузия производится в
условиях быстрого окисления, то диффузия бора будет еще усиливаться.
Отклонения при диффузии мышьяка в кремнии. Малый коэффициент диф-
фузии мышьяка и резкий профиль легирования в кремнии делают его идеаль-
ной примесью для изготовления мелких диффузионных слоев.
Однако при диффузии мышьяка наблюдается уменьшение проводимости ле-
гированного мышьяком (при 1373...1473 К) диффузионного слоя, который по-
следовательно подвергается воздействию температуры в диапазоне 773...1173 К.
Проводимость слоя может быть полностью восстановлена обработкой при вы-
сокой температуре (1373... 1473 К). Следовательно, уменьшение проводимости
слоя происходит не за счет испарения мышьяка из поверхности кремния. Воз-
можно, что образуются кластеры As—As или формируются соединения SiAs2,
которые электронейтральны.
При диффузии в окислительной атмосфере иногда наблюдается ускорение
диффузии мышьяка, что объясняется взаимодействием мышьяка с избыточными
межузельными атомами кремния во время окисления. Но этот эффект выражен
слабее по сравнению с диффузией атомов бора в окисляющей атмосфере.
Отклонения при диффузии фосфора в кремнии. На рис. 4.26 изображено
распределение общей концентрации электрически активного фосфора по глубине
в кремнии. Особенностью профиля электрически активного фосфора является на-
личие плоского участка вблизи поверхности изгиба кривой при концентрации
примерно 1020 см-3 и обширной «хвостовой» области, следующей за точкой
изгиба. Эмпирическое уравнение, связывающее концентрацию электрически ак-
тивного фосфора па с общей концентрацией Ntot, следующее:
/V tot = п« +2,04- 10“41ns,
для значений Ntot от 1019 до 1021 см~3,
Рис. 4.26. Распределение фосфора
по глубине в кремний
Рис. 4.27. Идеализированный про-
филь легирования фосфором
168
Идеализированный профиль легирования фосфора изображен на рис. 4.27.
Профиль характеризуется поверхностной концентрацией ив, изгибом при п9 и
«хвостовой> областью, следующей за этой точкой. Такой профиль объясняется
сильным взаимодействием фосфора с вакансиями в решетке кремния Р(7—Vе),
Р(1—V-) и Р(1—V2~), так, что коэффициент диффузии определяется из урав-
нения
D=A (л/пг) (п/т)2}.
При высокой концентрации преобладает член, обусловленный взаимодейст-
вием Р(1—V2~). Так как в этой области концентрация существенно не меня-
ется, то фактор усиления полем приравнивают к единице, коэффициент диф-
фузии дают уравнением
Di Di^(n/m)\
где Рг2- = 44,2е-4’37Ат.
Профиль легирования, полученный для высоких поверхностных концентра-
ций, когда коэффициент диффузии является функцией концентрации, очень рез-
кий и изображен на рис. 4.15, кривая Ь. Когда концентрация фосфора падает
до значения ие, уровень Ферми в кремнии опускается ниже уровня V2*
(0,11 эВ ниже края зоны проводимости) и пара вакансия — примесь диссо-
циирует:
Р (7- V2-) ^Р (7- V-) + е~
Энергия связи пары Р(1—V~) примерно на 0,3 эВ меньше, чем для пары
Р(1—V2-), поэтому происходит дальнейшая диссоциация с образованием Р+ и
V”. При этом образуется много вакансий, которые быстро перемещаются в глубь
полупроводника. Коэффициент диффузии в этой области
[V-1 Г Пз3 1
D^-DiV+Di- Ь-f ; D^-DiO+Di- —— (1 + е°>3/*г) , (4.231
[V~ji [Пе2П{ J
где 7)?=3,85e~3’66/ftr; £);-== 4,44e-4>0/ftT; пе=4,65- 1021ес>39/Лг.
Значения коэффициента диффузии, полученные экспериментально, хорошо
согласуются с расчетными значениями из уравнения (4.23).
Эффект эмиттерного выдавливания имеет место в биполярных транзисторах
и состоит в самопроизвольном углублении области базы на некоторую глуби-
ну 6 На рис. 4.28 изображено поперечное сечение такого транзистора. На прак-
тике параметр 6 изменяется обратно пропорционально толщине активной ба-
зы Хэб и имеет значения 6=0,2...0,4 мкм для хЭб=2...0,5 мкм.
Существует немало физических механизмов, объясняющих эффект эмиттер-
ного выдавливания. Наиболее приемлемое объяснение исходит из того факта,
что ускорение диффузии имеет место, когда в эмиттерной области генерируются
точечные дефекты, которые мигрируют на значительные расстояния. Это явле-
ние генерации вакансий при диссоциации пар Р(7—V2”) происходит при фор-
мировании хвостовой области профиля легирования.
Эффект эмиттерного выдавливания наблюдался и для диффузии мышьяка
в эмиттерные области. Однако он не так ярко выражен. Это связано с тем,
что диффузия мышьяка в кремнии не сопровождается диссоциацией пар при-
месь— вакансия и генерацией вакансий. Диссоциация пар Р(7—V2“) в области
изгиба профиля легирования фосфора служит основным механизмом, повышаю-
щим коэффициент диффузии бора под эмиттером во внутренней области базы.
Однако при концентрации фосфора выше 5-Ю20 см-3 разница между размерами
атомов кремния и фосфора вызывает деформацию решетки (так называемую
Рис. 4.28. Ускорение про-
цесса диффузии под
эмиттером биполярного
транзистора
169
деформацию несоответствия) и снижает концентрацию пар Р(1—V2-). Такое
уменьшение концентрации связано с эффектом сужения ширины запрещенной
зоны. Совместное рассмотрение эффекта сужения ширины запрещенной зоны
и диссоциации пар Р(1—V2~) позволяет объяснить эффект эмиттерного вытес-
нения при хорошем совпадении теоретических расчетов с экспериментальными
результатами.
Отклонение при диффузии сурьмы в кремний. Явление замедления диффу-
зии сурьмы в ходе окисления объясняется тем, что при диффузии и окислении
существует термическое равновесие между вакансиями и межузельными ато-
мами. Образование межузельных атомов на границе раздела кремний — окисел
приводит к снижению концентраций вакансий и замедлению диффузии сурьмы,
так как диффузия сурьмы происходит по механизму замещения.
Отклонения при диффузии золота и пластины в кремний. Как было пока-
зано ранее, коэффициент диффузии золота сильно зависит от присутствия де-
фектов в кремнии. Золото прежде всего диффундирует в области подложки с
высокой концентрацией дефектов, т. е. в области, в которых формируются ак-
тивные области. Поэтому, хотя золото вводится в пластину с обратной стороны,
его концентрация чаще выше с рабочей стороны пластины.
Растворимость золота в кремнии для п- и p-типа проводимости возрастает
из-за взаимодействия с вакансиями. Взаимодействие с вакансиями особенно вы-
ражено при диффузии в кремний n-типа. Если растворимость золота в собст-
венном кремнии обозначить [Au] «, a [Au] — в кремнии с концентрацией при-
меси ND, то
[Аи]ЧАи]<(#2>/Лг)
для Nd^iu. При обычных температурах диффузии п^Ю19 см-3.
Таким образом, эффективность легирования золотом зависит от типа про-
Рис. 4.29. Распределение примеси в
легированных слоях p-типа кремния
по закону erfcz
Рис. 4.30. Распределение примеси в
легированных слоях n-типа кремния
по закону erfcz
170
Рис. 4.31. Зависимость удельного
сопротивления однородно легирован-
ного кремния от концентрации при-
меси
водимости материала, в котором зо-
лото диффундирует. Движение золо-
та в сильнолегированном фосфором
кремнии замедляется из-за образова-
ния стабильных соединений Аи2Рз-
Для платины блокирования диффу-
зии не наблюдается, хотя во время
диффузии платины также могут об-
разовываться стабильные соединения
платины и фосфора, платины и
кремния.
Распределение примеси в кремнии. В планарной технологии элементы при-
боров и ИС формируются по базе диффузионных слоев с высокой и низкой
концентрацией примеси. Профиль легирования слоев с низкой концентрацией
можно точно описать либо функцией erfc г, либо ехр(—z2). Если диффузионный
слой с высокой концентрацией примеси достаточно глубокий, то профиль ле-
гирования примеси в таком слое также описывается функцией erfc z. На рис. 4.29
и 4.30 изображены кривые, рассчитанные на ЭВМ, связывающие поверхност-
ную концентрацию Ns, поверхностное сопротивление R8 и глубину слоя X; для
различных концентраций примеси в подложке и- и p-типа проводимости.
Зависимость удельного сопротивления подложки от концентрации приме-
си NB изображена на рис. 4.31.
Таблица 4.3. Соотношения между Rs, Xj и Ns для слоев р-типа,
легированных бором для высоких концентраций
Параметр Диффузия из источника с постоянной концентрацией Имплантация с дозой Qo, ион/см2,и диффузия в течение t, с
Xj, СМ / Dit\№ 2,45 [ N8 — \ П» / Qo(0,4iVe)-i
Ns, см~3 2,78-1017(/?sXj)~i ( П{ \V3 0,53/ Qo2 — \ /
Di, см2/с 3,17e-3’59/ftr 3,17е-3>59/*г
Таблица 4.4. Соотношения между Rs, Xj, N8 для слоев п-типа,
легированных мышьяком для высоких концентраций
Параметр Диффузия из источника с постоянной концентрацией Имплантация с дозой Qo, ион/см2, и диффузия в течение, t, с
Xj, см / Di-t Д/2 2,29 N, -!— \ П;е / 2( Qo \ nie j
Rs, Ом 1,56- 1017(Л^)~2 l,7-1010/Qo7’9
Ns, см-3 — Со(О,45хЛ-‘ 0,26-1015 (Л.х,)-3/2
Dif см2/с 22,9е-41/*г 22,9е-*-1/'1Т
171
Диффузионные слои с высокой концентрацией примеси. Профиль легирова-
ния для слоев с высокой концентрацией примеси резкий. Глубина слоя являет-
ся величиной, относительно не зависящей от концентрации в подложке.
Бор. В табл. 4.3 приведены соотношения между xj и N8 (для слоев со
средней подвижностью дырок 55 см2/В и поверхностной концентрацией свыше
5 1019 см-3). Эти соотношения получены для значений концентрации примеси
в подложке не более 1% от поверхностной концентрации.
Мышьяк. В табл. 4.4. приведены соотношения между R8t Xj, N$ для очень
резкого профиля легирования с высокой концентрацией мышьяка.
4.5. Методы проведения диффузии
Параметры диффузионного слоя определяются видом легирующей приме-
си и ее концентрацией. Технологически сложным является воспроизводимое по-
лучение поверхностных концентраций примесей ниже 1018 см-3 при сохранении
высокой степени однородности поверхности, особенно на пластинах большого
диаметра. Для получения воспроизводимой и регулируемой поверхностной кон-
центрации примеси в полупроводниковой подложке используют:
нанесение диффузанта на пластины в ходе диффузии (внешний источник),
при этом разрабатываются методы регулирования содержания соединения при-
меси в атмосфере, окружающей полупроводниковые пластины во время диф-
фузии;
нанесение диффузанта на пластины кремния до диффузии, здесь роль игра-
ет регулирование количества примеси, наносимой на пластины перед диффузи-
ей, и обеспечение однородности их поверхности.
Основным требованием диффузионной системы является доставка диффун-
дирующей примеси к поверхности подложки и проведение диффузии при опре-
деленной температуре в течение определенного времени.
Необходимо, чтобы система удовлетворяла следующим требованиям: а) воз-
можность регулирования поверхностной концентрации примеси; б) отсутствие
нарушений поверхности подложки при диффузии; в) возможность проведения
процесса одновременно на большом количестве пластин. Источники примеси
подразделяются на внешние источники и примесные покрытия.
Внешние источники подразделяют на газообразные, жидкие и твердые.
Твердые источники имеют вид: порошка (помещаются в реактор в тигельках
из кварца, алунда, платины); дисков (твердые планарные источники ТПИ),
вырезанных из материала, содержащего примесь, как правило, в связанном
виде (устанавливаются в лодочку параллельно размещенным вертикально крем-
ниевым пластинам) (рис. 4.32).
Примесными покрытиями, из которых осуществляется диффузия примеси,
являются легированные окислы; предварительно легированные поликристалли-
ческий или аморфный кремний и силициды таких тугоплавких металлов, как
молибден, титан, вольфрам; фоторе-
Рис. 4.32. Размещение твердых пла-
нарных источников в кварцевую ло-
дочку:
/ — лодочка; 2 — источники; 3 — кремние-
вые пластины; 4 — испаряемое вещество
зисты-диффузанты и высокомолеку-
лярные полимеры, содержащие при-
меси; бориды редкоземельных метал-
лов. По мере поиска подходящих ма-
териалов этот перечень может быть
продолжен.
Диффузия в запаянной ампуле
(закрытой трубе). Осуществляется в
запаянной и откачанной кварцевой
трубе. После диффузии труба вскры-
вается. Такая система свободна от
загрязнений. В системе запаянной
ампулы происходит термическое ис-
парение источника диффузанта, пере-
нос в газовой фазе, адсорбция атомов
примеси на поверхности полупровод-
ника и стенках трубы и дуффузия
172
примеси в подложку. Возможно прилипание подложки, которое определяется
количеством источника диффузанта. Остаточное давление газа в ампуле должно
быть примерно 1,33-102 Па. При давлении более 1,33-103 Па ограничивается
перенос диффузанта прежде всего за счет покрытия поверхности чужеродными
атомами, а при давлении менее 1,33 Па длина свободного пробега для диф-
фундирующей примеси превышает размеры ампулы, что приводит к неглубокой
диффузии.
Поверхностная концентрация примеси, полученная в системе запаянной
ампулы, соответствует предельной растворимости примеси при температуре
диффузии, так как источник бесконечен, для чего поверхность источника при-
меси выбирается намного большей поверхности системы в состоянии равновесия,
например используется гранулированный источник примеси. Продолжительность
диффузии также должна быть значительной, чтобы и поверхность подложки,
и стенки ампулы находились в равновесии. Поэтому такая система больше
подходит для глубоких слоев и для поверхностных концентраций не ниже пре-
дельной растворимости в кремнии.
В качестве источников примеси для диффузии в ампулах пригодны как
газы, так и жидкие и твердые тела. Для диффузии бора подходящими источни-
ками являются трехфтористый бор BF3, трехокись бора В2О3. При диффузии
фосфора в качестве внешнего источника можно использовать элементарный
красный фосфор, пятиокись фосфора P2Os, треххлористый фосфор РС13 или
фосфин РН3. Можно также использовать измельченный в порошок кремний
или SiO2, содержащий достаточное количество примеси, фосфид кремния.
Диффузия в вакууме. Метод аналогичен методу запаянной ампулы, однако
ампула из кварцевого стекла не отпаивается от вакуумной системы.
В качестве внешнего источника в случае диффузии примеси p-типа по
такому способу используется элементарный бор, смешанный с порошком SiO2,
или порошок борного ангидрида В2О3. Давление в реакторе составляет
1,33... 1,33 Ю-3 Па.
Диффузию осуществляют также из непрерывных потоков газов с заданным
давлением паров примеси, вводимых в вакуумную камеру.
Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод). В основу метода положено
предположение, что между окислом на поверхности пластины кремния и на-
ходящимся рядом с ним окислом SiO2, смешанным с примесями, устанавлива-
ется стехиометрическое равновесие при нагревании их в замкнутом объеме
(боксе). При испарении смеси примеси попадают в атмосферу бокса и затем
адсорбируются окислом на поверхности кремния до тех пор, пока содержание
примесей в этом окисле не станет равным их содержанию в смеси. Окисел на
поверхности кремния становится легирующим источником примесей, диффунди-
рующих в кремний.
Бокс для проведения диффузии должен быть закрыт достаточно плотно,
чтобы не было большой утечки паров примеси, однако при этом он должен быть
негерметичным, чтобы обеспечить удаление влаги и поступление кислорода, так
как образование окисла является существенным моментом при диффузии это-
го типа. Процесс сопровождается колебанием скорости утечки, которое из-
меняет параметры диффузионного слоя. Установки для проведения диффузии
в замкнутом боксе изображены на рис. 4.33—4.36.
Для уплотнения двух ампул из кварцевого стекла используют платину.
Платина достаточно инертна до 1473 К, легко очищается и дает хорошее уп-
лотнение, уменьшающее скорость утечки до приемлемого уровня.
Рис. 4.33. Кварцевый реак-
тор для диффузии по б^кс-
методу:
1 — реактор; 2 — кварцевое стек-
ло; 3 — платиновая полоска; 4 —
платиновая лодочка; 5 — крем-
ниевая подставка; 6 — кремни-
евая пластина
173
Рис. 4.34. Кварцевый реактор для диффузии по бокс-методу конструкции Тер-
стона:
1 — платиновая фольга; 2 — вещество источника; 3 — реактор; 4 — образец
Рис. 4.35. Кварцевый реактор для диффузии по бокс-методу с кварцевой
крышкой:
/ — вытяжной зонт; 2 — улавливатель с раствором; 3 — улавливатель свободный; 4 —
испарители с источником примеси; 5 — лодочка; 6 — кремниевые пластины; 7 — нагрева-
тель печи; 8 — заглушка; 9 — реактор; 10— крышка
Рис. 4.36. Кварцевый ре-
актор для проведения
одновременной диффу-
зии сурьмы и бора по
бокс-методу:
1, 3 — кварцевое стекло;
2 — платиновая фольга; 4 —
кремниевый образец
При проведении диффузии бокс-методом предпочтительнее те соединения,
которые при температуре диффузии становятся жидкими, так как при этом
улучшается воспроизводимость и однородность диффузии. Однако невозможно
широко регулировать поверхностную концентрацию, потому что в жидком со-
стоянии находятся высоколегированные источники.
При диффузии фосфора, бора, сурьмы, как правило, предпочитают рабо-
тать в той области, где поверхностная концентрация определяется предельной
растворимостью, а не мощностью источника.
Для диффузии бора источником служит окись бора В20з или борная кис-
лота Н3ВО6, помещаемая в специальный алундовый тигелек. Для диффузии
фосфора используются P2Os и смесь P2Os и СаО как высоколегированный жид-
кий источник. Точка плавления технологической смеси (93% Р2О5, 75% СаО)
составляет около 773 К. Кроме того, с помощью бокс-метода для проведения
диффузии двух примесей в противоположных концах ампулы из кварцевого
стекла помещают содержащие 3% Sb и 0,1% В, а в центре — кремниевые пла-
стины, при подходящей комбинации времени и температуры можно получить
на подложке «-типа п — р — «-структуру. Установка изображена на рис. 4.36.
174
Качество промывки бокса инертным газом, степень предварительной очист-
ки газа, количество и расположение источников определяют однородность ле-
гирования, которая тем выше, чем ближе поверхностная концентрация примеси
к предельной растворимости при температуре диффузии.
Методы диффузии в боксах обеспечивают разброс не лучше ±10...20% по
бору (при /?8==20...30 Om/D) и ±3...10% по фосфору (при 7?s = 1...5 Ом/D).
Методы открытой трубы. Подложка помещается в открытую трубу из
кварца. Для каждой примеси используют свою трубу и лодочку во избежание
загрязнений различными примесями. Пластины вводятся в трубу с одного конца,
а с другого подаются газы и примесь. Выходной конец трубы сообщается с
атмосферой. Труба располагается по оси одного или двух нагревателей. Крем-
ниевые пластины обычно помещаются в высокотемпературной части трубы; ёсли
используется внешний источник, то он располагается ближе к входу газа.
Твердый источник. При использовании внешних источников в ло-
дочку из платины, алунда или кварца загружается источник примеси, и она
размещается со стороны поступления газа-носителя, перед лодочкой с пласти-
нами кремния (рис. 4.37).
В процессе диффузии газ-носитель переносит пары от источника к поверх-
ности пластины. Чтобы отключить источник, его нужно передвинуть в более
холодную зону печи. Однородность легирования сильно зависит от давления
паров в источнике. Чтобы регулировать давление паров, источник устанавли-
вают при более низкой температуре, чем температура диффузии. Для этого
используют двухзонную печь. Тем не менее часто источники и пластины разме-
щают при одинаковой температуре.
При использовании примесных покрытий исключается транспортирование
паров диффузанта к подложке. Этот метод используется для изготовления
пластин большого диаметра, где требуется точное управление диффузией.
Осажденные твердые источники позволяют получать очень низкие поверхност-
ные концентрации за счет подбора соответствующего соотношения примесь —
связующее вещество. Поверхностная концентрация регулируется уже не пре-
делом растворимости, а концентрацией примеси в покрытии. Этот метод по-
зволяет получать низкие концентрации в одностадийном процессе, отпадает
необходимость стадий загонки и разгонки примеси. Альтернативным методом
является метод ионного легирования.
Жидкий источник. Г аз-носитель продувается через жидкость — ис-
точник примеси и переносит пары от источника к поверхности. Если насытить
этот газ парами примеси, то концентрация примеси в кремнии не будет за-
висеть от потока газа. Поверхностная концентрация прежде всего зависит
от температуры жидкого источника и диффузионной системы (рис. 4.38). Со-
держание паров примеси в реакторе устанавливают регулированием потока
газов через смеситель. В качестве жидких источников используют галогены,
которые уменьшают загрязнение системы тяжелыми металлами и способствуют
формированию бездефектных областей, содержащих активные элементы. Одна-
Рис. 4.37. Диффузионная система
твердого источника:
1 — ротаметр; 2 — платиновая лодочка а
источником; 3 — пластины; 4 — кварцевая
труба
Рис. 4.38. Диффузионная система
жидкого источника:
1 — ротаметр; 2 — пластины в лодочкег
5 —кварцевая труба; 4 — жидкий источ-
ник
175
2
Рис. 4.39. Диффузионная система
газообразного источника:
ко при этом возможно локальное рас-
творение полупроводника, при котором
его поверхность становится матовой.
Образующиеся в процессе диффу-
зии фосфора пленки фосфорно-силикат-
ного стекла (ФСС) являются хорошим
средством геттерирования примесей в
полупроводниковой технологии. При тем-
пературе осаждения ФСС создаются
индуцированные диффузионные напря-
жения впереди фронта диффузии. Эта
область является стоком для металли-
ческих примесей. Кроме того, ФСС слу-
жит постоянной ловушкой этих загряз-
/ — ротаметр; 2 — пластины в лодочке; НеНИЙ, ТЭК ЧТО ОНИ Нв ПереХОДЯТ В
3 — кварцевая труба; 4 — химическая ло- раствор ВО время охлаждения.
вушка; 5 — газообразный источник Однородность и воспроизводимость
легирования в рабочей зоне диффузи-
рнной печи определяются при постоянной температуре распределением в ней
давления паров образующегося окисла примеси.
Газообразный источник. Диффузионная система (рис. 4.39) сход-
на с системой для жидкого источника с той разницей, что источником диффу-
занта служит не поток газа-носителя, проходящего сквозь жидкий источник, а
0аллон, содержащий смесь РН3 (или В2Н6) и инертного газа, например аргона.
В качестве газа-носителя может использоваться азот в смеси с кислородом.
В этом методе наблюдается увеличение поверхностного сопротивления по ходу
течения газа, однако он позволяет получить малый разброс поверхностного
сопротивления в широком интервале поверхностных концентраций. При слиш-
ком малом содержании кислорода в газовой смеси могут образовываться труд-
ноустранимые пленки.
Импульсные методы проведения диффузии. Импульсная термическая или
быстрая термическая обработка дет возможность получать приборы микрон-
ных размеров, заменяя процессы, проводящиеся в печи: отжиг ионно-имплан-
тированных слоев, диффузия примеси из примесных покрытий, окисление, фор-
мирование силицидов, пассивация, сплавление омических контактов.
Импульсная термическая обработка базируется на использовании интен-
сивного когерентного (лазерного) или некогерентного светового излучения,
электронных и ионных пучков.
В зависимости от длительности воздействия излучения различают три ре-
жима отжига: адиабатический (/<10~7 с), теплового потока (/= 10-6...10~2 с),
Йзотермический (/>10~2 с). В качестве источников потоков некогерентного
Сйета при длительности процессов более 10~2 с применяются импульсные лампы
в миллисекундном диапазоне длительностей, а также галогенонаполненные лам-
пы накаливания, ксеноновые дуговые лампы и графитовые нагреватели для се-
кундных экспозиций.
В зависимости от условий импульсного нагрева и в первую очередь от
экспозиционной мощности излучения возможно проведение термообработки как
в твердой фазе, так и с плавлением рекристаллизацией. Для современной тех-
нологии изготовления ИС наибольший интерес представляет твердофазный
режим, поскольку он хорошо согласуется с другими традиционными техноло-
гическими операциями. При использовании многократного сканирования элект-
ронного луча отсутствуют резкие температурные градиенты, приводящие к
возникновению термоустойчивых комплексов точечных и протяженных дефектов,
улучшаются воспроизводимость и качество процесса отжига, появляется воз-
можность контроля и регулирования диффузионного перераспределения примеси.
Ускоренную диффузию в тлеющем разряде проводят при температуре газа
не выше 573 К, а диффузию при низких температурах бомбардирующими иона-
ми из плазмы, включая ионы легирующей примеси, подложки, успешно приме-
няют для изготовления тонких диффузионных слоев х,^0,1 мкм.
Радиационно-стимулированная диффузия. Диффузия примеси может усили-
ваться и под влиянием облучения быстрыми частицами, поскольку диффузия в
176
твердых телах осуществляется в основном по дефектам кристаллической решетки,
а облучение быстрыми частицами приводит к образованию таких дефектов.
Общее действие переноса примесей с помощью радиационно-стимулированной
диффузии при температурах от 77 до 400 К эквивалентно термической диффу-
зии от 773 до 1573 К.
4.6. Внешние источники примеси для кремния
Для создания областей p-типа в кремнии используют алюминий, бор, гал-
лий, индий. Практическое значение для СБИС имеет только бор, так как индий
образует относительно глубокий акцепторный уровень 0,16 эВ выше валент-
ной зоны, а алюминий и галлий не маскируются пленками двуокиси кремния.
На рис. 4.40 представлена предельная растворимость примесей в кремнии.
Диффузия бора. У бора высокая предельная растворимость, его поверхност-
ная концентрация может достигать 4-Ю20 см-3. Тетраэдрический радиус бора
в кремнии 0,88-10-4 мкм, для кремния — 1,17-10~4 мкм. Поэтому наличие
большого числа атомов бора приводит к возникновению индуцированных ме-
ханическими напряжениями дефектов, которые создают значительные повреж-
дения кристаллической решетки. Чтобы избежать этого эффекта, концентрацию
бора не следует поднимать выше 5-1019 см-3. Элементарный бор инертен при
температуре выше температуры плавления кремния. Следовательно, диффузия
происходит за счет поверхностной реакции между окислом бора В2О3 и крем-
нием:
2В2О3+3Si=s* 4В + 3SiO2. (4.24)
Избыточное количество бора ведет к образованию силицидов и других соеди-
нений бора на поверхности подложки. Этот тонкий скин-слой представляет
собой диэлектрические, темные по цвету, пленки, часто являющиеся причиной
брака приборов из-за высоких контактных сопротивлений. Скин-слой не раство-
ряется ни в какой кислоте. Но окислением кремния во влажном кислороде или
в парах воды можно перевести этот слой в боросиликатное стекло, которое
растворяется в плавиковой кислоте. Гораздо легче предупредить образование
этого слоя проведением диффузии в слабоокисляющей среде с объемной долей
Рис. 4.40. Предельная раствори-
мость примесей в кремнии
Рис. 4.41. Фазовая диаграмма систе-
мы SiO2—В2О3
12 Заказ № 1270
177
водорода 0,03...0,10. Это способствует формированию SiO2 и уменьшает веро-
ятность образования скин-слоя. Фазовая диаграмма системы SiO2—В2О3 изобра-
жена на рис. 4.41.
Твердые источники диффузии бора в потоке газа. Наибо-
лее распространенным внешним твердым источником диффузии бора в кремний
является окись бора В2О3, а также борная кислота Н3ВО3. Борная кислота
разлагается при 473 К с образованием В2О3 и паров Н2О. Эффективное испа-
рение В2О3 начинается с 1043...1073 К, а максимальная температура, до кото-
рой обычно нагревают В2О3, составляет 1473 К. Наиболее часто используется
интервал температур источника от 1223 до 1323 К. Источник диффузанта, со-
стоящий из В2О3 или Н3ВО3, необходимо вводить в печь медленно, чтобы
предотвратить вскипание и вытекание его из лодочки. Пролившаяся через край
В2О3 превращается в дополнительный источник примеси, вплоть до последую-
щей очистки трубы, если не предусмотрена какая-либо дополнительная защита.
Элементарный металлический бор обычно непригоден для' диффузии в по-
токе газа из-за низкого давления его паров. Если же ввести в поток газа не-
большое количество водяного пара, то бор внешнего источника окисляется
и тогда источником примеси служит образовавшийся окисел.
Окись бора часто используется в двухзонных печах или в боке-методе, при
этом обеспечивается разброс поверхностного сопротивления не лучше ±10...20%
при /?s=20...50 Ом/О.
Твердые планарные источники (ТПИ) для диффузии бора создают в реак-
ционной зоне пары окиси бора В2О3, молекулы которой диффундируют к по-
верхности кремниевых пластин и взаимодействуют с кремнием по реакции (4 24).
Из образующегося слоя боросиликатного стекла происходит диффузия бора
в глубь кремния. Основными материалами для изготовления твердых планар-
ных источников бора являются нитрид бора BN и В2О3 в связанном виде.
Перед эксплуатацией ТПИ на основе BN окисляют с целью образования на его
поверхности тонкого слоя В2О3, который при температурах диффузии
(973... 1523 К) находится в жидком состоянии. Переход В2О3 в газовую фазу
происходит в результате испарения слоев. Твердые планарные источники из
материалов, содержащих В2О3 в связанном виде, выделяют ее при нагревании
непосредственно в процессе диффузии. Предварительного окисления для таких
ТПИ не требуется.
Благодаря физико-химическим и механическим свойствам BN ТПИ на ос-
нове BN отличаются стабильностью и длительным сроком службы. По мере
испарения В2О3 производится периодическое окисление источников.
При диффузии в газовой фазе возможно образование метаборной кислоты
В2Оз±Н2О“>2НВО2. Давление НВО2 на несколько порядков превышает дав-
ление В2О3. Поскольку давление Н2О в диффузионной системе не ниже 30 Па,
основным компонентом газовой фазы является НВО2, а не В2О3. Повышенное
(по сравнению с равновесным давлением В2О3) содержание бора в газовой
фазе, а также более высокие значения коэффициента диффузии НВО2 дают
возможность получать близкие к предельной растворимости поверхностные кон-
центрации. Поэтому в реактор, контролируемо вводят пары Н2О, используют
низкомолекулярные газы-носители (Не, N2±He, Н2, Н2±Не), в которых моле-
кулы примеси имеют более высокие коэффициенты диффузии.
Для повышения однородности и воспроизводимости концентрации бора
процесс диффузии бора из BN усложняют также кратковременной инжекцией
в газовую среду водорода, который способствует образованию летучей мета-
борной кислоты.
Имеется ряд ограничений при использовании твердого источника этого ти-
па. Первое: В2О3 часто образует на поверхности SiO2 труднорастворимую фа-
зу S1B. Для предотвращения этого явления в газ-носитель вводятся неболь-
шие добавки кислорода. Это приводит к неоднородности по поверхности, так
как скорость окисления регулируется радиальным газовым потоком между
пластинами. Другая проблема заключается в прилипании пластин BN и под-
ложек к лодочке.
Диффузия на ТПИ на основе BN в основном дает высокую концентрацию
бора в кремнии, однородность легирования составляет ±5% на пластине и
±10% в партии.
178
Альтернативным применением BN является использование материалов, со-
держащих смесь В2О3 и CaO, MgO, ВаО, А12О3. Все они имеют очень высокие
энергии образования, так что в процессе диффузии эти соединения не преоб-
разуются в элементарный барий, кальций, магний, алюминий.
Развитие технологии изготовления таких ТПИ шло по пути модификации
состава с целью увеличения содержания В2О3, повышения термостойкости. По-
лучены ТПИ диаметром до 100 мм при толщине 2...2,5 мм для эксплуатации
при температурах 1373...1473 К с высокой стабильностью диффузионных свойств
(800 ч при температуре 1298 К).
В технологии используют так называемый параллельный источник бора, ко-
торый получается насыщением кварцевой пластины бором из В2О3. В процессе
диффузии такой источник размещается горизонтально над пластинами. Разброс
не выше ±2...3% на уровне до 500...600 Ом/О.
Твердые планарные источники из микропористых тугоплавких материа-
лов, не являющихся окислами (AlBi2, Ti2B, Cr3B4, МоВ2, МпВ4, Сг3Р, ВР
и т. д.) или выбираемых из числа окислов (AlAsO4, YAsO4, MgAs2Ou,
Ca6As20n, Ba6As20n и т. д.), служат источниками примесей п и p-типа в крем-
нии, обладают хорошими термомеханическими свойствами, имеют хорошую
воспроизводимость поверхностного сопротивления в диапазоне 1123...1298 К.
Жидкие источники бора для диффузии в потоке газа.
Триметилборат. Его реакция окисления следующая:
1173 К
2(СН3О3) В + 9О2-—*-В2О3+6СО24-9Н2О
Давление паров источника регулируется его охлаждением, так как пары чрез-
вычайно летучи при комнатной температуре.
Трехбромистый бор. Имеет реакцию окисления
4ВВг3+ЗО2—>2В2О34-6Вг2
ВВг — галогенный источник, так что его можно использовать для геттерирова-
ния металлических примесей в течение диффузии. Как и при использовании
любого галогенного источника, имеется вероятность образования ямок травле-
ния, если использовать завышенную концентрацию паров ВВг или если кон-
центрация кислорода в потоке газа недостаточна. Другим недостатком является
возможность засорения системы образующейся В2О3 и разброс вследствие этого
значений поверхностной концентрации.
Газообразные источники бора для диффузии в потоке
газа.
Диборан. Используется разбавленным на 99% по объему. Реакция окисле-
ния следующая:
573 К
В2Н6 4- ЗО2-—>В2О3 4- ЗН2О
Так как продуктом реакции является кроме В2О3 только вода, то травления
Si не происходит. Для захвата неиспользованного газа на входе в трубу
устанавливают ловушку с концентрированной соляной кислотой.
Если вместо кислорода использовать углекислый газ (СО2), то на стадии
загонки примеси при низких температурах процесса можно достичь высокой
поверхностной концентрации бора
В2Н3 4" 6СО2—>В2О3 4" 6СО 4" ЗН2О
Это происходит из-за того, что образуется меньше SiO2, которая либо препят-
ствует переносу В2О3 к поверхности кремния из атмосферы, либо захватывает
атомарный бор, появляющийся в результате восстановления В2О3 кремнием.
В диапазоне температур 1323...1523К получена поверхностная концентрация от
1017 см-3 до предельной растворимости.
Трихлорид бора. Реакция окисления следующая:
4ВС134- ЗО2—>-2В2О34- 4С13
12*
179
Так как продуктом реакции является хлор, то возможно травление крем-
ния. На практике значительно сложнее получить равномерное легирование
подложек по длине лодочки при использовании ВС13, чем ВВг3. Это обусловлено
тем, что реакция окисления ВС13 имеет большую длительность (~ 100 с), в то
время как ВВг3 — относительно короткую (~3 с для аналогичных условий).
Следовательно, весь ВВг3 быстрее превращается в В2О3.
Диффузия фосфора. Фосфор имеет сравнимый с бором коэффициент диф-
фузии. Тетраэдрический радиус фосфора 1,1 -10“4 мкм. На практике достигаются
большие поверхностные концентрации фосфора ~ 1021 см”3 в кремнии, кон-
центрация электрически активного фосфора 4-Ю20 см~3.
Твердые источники фосфора для диффузии в потоке
газа. В качестве внешнего источника используется безводная пятиокись фос-
фора РгО5. Она загружается в тигель из кварцевого стекла или платины и
помещается в печь в область источника. Для получения максималь-
ной поверхностной концентрации температура Р2О5 должна поддерживаться в
интервале 488...573 К. При более высоких температурах Р2О3 испаряется слиш-
ком быстро, и источник исчерпывается за короткое время. При более низких
температурах результаты плохо воспроизводимы. При температуре диффузии
происходит реакция
2P2O5+5Si^4P + 5SiO2 (4.25)
Применяются и другие соединения, содержащие фосфор. Однако в итоге
используется транспорт Р2О5 к поверхности кремниевой подложки. При взаимо-
действии P2Os с SiO2 образуется фосфорно-силикатное стекло, которое является
жидким при температуре диффузии.
Другими внешними твердыми источниками, используемыми для диффузии
фосфора, служат элементарный красный фосфор, одноосновной фосфат аммо-
ния NH4H2PO4 и двухосновной фосфат аммония (NH4)2HPO4. Давление паров
последних веществ таково, что требуются гораздо более высокие температуры
источника (от 723 до 1173 К), чем в случае Р2О5. Главным преимуществом
фосфата аммония является меньшая, чем в случае Р2Об, чувствительность к
влажности.
Элементарный красный фосфор применяется редко. Давление его паров и
состав непостоянны, что приводит к плохой воспроизводимости результатов,
хотя он помогает получить более низкие поверхностные концентрации по
сравнению с Р2О5.
Твердые планарные источники диффузии фосфора при
нагревании выделяют пятиокись фосфора P20s в газовую фазу. Молекулы Р2О3
диффундируют к поверхности кремниевых пластин, в результате реакции (4.25)
образуется слой фосфорно-силикатного стекла, из которого происходит диффу-
зия фосфора в объем кремния.
В качестве ТПИ фосфора используются нитрид фосфора, фосфид кремния
или материалы, содержащие Р2О5 в связанном виде, которые выделяются при
термическом разложении.
Твердый планарный источник на основе нитрида фосфора характеризуется
нестабильностью его свойств, низким сроком службы. Технологический процесс
с их использованием требует предварительного окисления, или проведения
диффузии в окислительной среде, что нивелирует основные преимущества ис-
точников по сравнению с жидкими.
Твердый планарный источник на основе фосфорно-силикатного стекла
(ФСС)—пластины кварца, насыщенные P2Os путем диффузионного отжига в
атмосфере диффузанта или методом ионно-лучевой обработки, не имеют прак-
тического значения ввиду крайне низкого срока службы источников и неста-
бильности их параметров.
Твердый планарный источник на основе метафосфата алюминия
А12Оз-ЗР2О5 имеет высокое содержание активной пятиокиси фосфора (до
50 мас.%), что обеспечивает длительный срок службы в несколько сотен часов.
Для пластин диаметром 100 мм используют твердый планарный источник
ТПДФ-100. На рис. 4.42 изображены зависимости поверхностного сопротив-
ления Rs и глубины диффузии Xj слоев, полученных диффузией фосфора в ат-
180
Рис. 4.42. Зависимость удельного поверхностного сопротивления R8 (а) и
глубины диффузии (б) от продолжительности диффузии для источников
ТПДФ-100
мосфере азота в интервале температур 1223...1398 К. Оптимальное расстояние
между ТПДФ-100 и пластинами составляет 4 мм. Разброс R8 по пластине ±7%,
в партии ±10%, от процесса к процессу ±5,5%. Срок службы при температуре
1273 К составляет 250 ч, при температуре 1223 К— в два раза меньше. При
температуре ниже 1223 К воспроизводимость R8 резко снижается. По этой
причине затруднительно изготовление мелких диффузионных слоев.
Низкий срок службы источников на основе метафосфата алюминия обус-
ловлен низкой пористостью стеклокерамического А12О3-ЗР2Об и постепенным
снижением скорости разложения, так как расход Р2О5 из более глубоких
слоев затруднен.
Пирофосфат кремния SiP2O7 используется в ТПИ о инертным пассиви-
рующим материалом двуокисью циркония ZrO2, так как скорость разложения
SiP2O7 очень высока. При нагревании SiP2O7 в области 623...673 К наблюдается
фазовый переход, который сопровождается относительно большим изменением
коэффициента теплового расширения материала источника. Поэтому во избе-
жание нарушения ТПИ от термического удара кассеты с ТПИ и пластинами
кремния загружаются в диффузионную печь в два этапа: сначала медленно
подаются в зону с температурой 623...673 К, а затем в более нагретую зону
(со скоростью до 20 см/мин для пластин диаметром 50 мм). Из-за быстрого
истощения (время жизни при температуре 273 К не более 260 ч), например,
источник РН-100 используют только при низких температурах (1223...1323 К).
Однородность легирования составляет ±5%, а воспроизводимость в партии
±10%. На рис. 4.43 и 4.44 приведены значения поверхностного сопротивления
для различных источников на основе пирофосфата кремния.
Твердые источники на основе метафосфата алюминия и пирофосфата крем-
ния могут эффективно использоваться для формирования диффузионных слоев
с высокой поверхностной концентрацией Ю^.-ЛО20 см-3. Получение поверхност-
ных концентраций ниже 1019 см-3 связано с необходимостью снижения темпера-
туры диффузии. При этом давление P2Os в газовой фазе настолько падает, что
резко возрастает влияние расстояния от источника до пластины кремния и
скорости газового потока на характеристики диффузионных слоев и снижается
воспроизводимость результатов.
В качестве активного материала в ТПИ для низких температур использу-
ются соединения R2O3-5P2O5, где Р2О5 — один из окислов Y2O3, La2O3, Се2О3.
Для увеличения механической прочности и термостойкости ТПИ к активному
181
Рис. 4.43. Зависимость удельного по-
верхностного сопротивления /?8 от
продолжительности диффузии для
источников типа PH-100 при темпе-
ратурах диффузии 1123 (/), 1173
(2), 1223 (3), 1274 К(4) в атмосфе-
ре азота
Рис. 4.44. Зависимость глубины диф-
фузии Xj от продолжительности
диффузии на основе SiP2O7 при тем-
пературе диффузии 1373 (/), 1323
(2), 1273 (3), 1223 К (4)
Os>0M/n
Н23 132з'1223 ' 1123 ' 1023 7, К
Рис. 4.45. Зависимость удельного поверх-
ностного сопротивления кремния Rs от
температуры при продолжительности диф-
фузии 30 мин для ТПИ А1 (РО3)з (/),
PH-1050 (2), PH-1000 (3), La2O3-5P2O5
(4), Се2О3-5Р2ОБ (5), Y2O3-5P2O5 (6)
материалу добавляют инертный наполни-
тель в виде кварцевых или алюмосиликат-
ных нитей диаметром до 500 мкм и дли-
ной до 10 мкм, а также порошок диокси-
да кремния в количестве до 20 мае.%.
Измерение удельного сопротивления на
пластинах кремния с р = 4...10 Ом-см по-
сле диффузии с использованием источника
на основе R2O3-5P2O5 (рис. 4.45) показа-
ло, что давление Р2О5, создаваемое источ-
ником, зависит в первую очередь от его
активного материала и по степени его возрастания эти материалы располага-
ются в следующем порядке: La2O3-5P2O5, Се2О3-5Р2ОБ, Y2O3-5P2O5.
Чистый фосфид кремния, спрессованный в виде пластин диаметром 60 и
толщиной 2...3 мм, используется для легирования кремния фосфором в диапа-
зоне температур 1223... 1323 К. Хотя Rs не зависит от состава газовой среды,
но наименьший разброс достигается при соотношении кислорода и азота 8 и
45 л/ч соответственно. Продолжительность диффузии ~30 мин позволяет
достичь предельной растворимости при рабочей температуре. Высокая воспро-
изводимость R8 достигается при температуре 1323 К, но в этих условиях быстро
разрушается сам источник.
Жидкие источники диффузии фосфора в потоке газа.
Наиболее часто применяют оксихлорид фосфора РОС13 при температуре
182
питателя источника 273...313 К. На стадии загонки используется окисляющая
смесь, в результате образуется Р2О3 в определенной точке системы перед зоной
диффузии. Реакция образования Р2О3 следующая:
4РОС1з+ЗО2—>2Р2О5 +12С12
Присутствие кислорода на стадии загонки предотвращает подтравливание по-
верхности галогеном, особенно при высоких концентрациях РОС13 в смеси. Жид-
кий источник дает возможность с высокой точностью регулировать поверхност-
ную концентрацию температурой питателя с источником. Альтернативным жид-
ким источником является трибромид фосфора РВг3. Он обладает превосходными
геттерирующими свойствами по сравнению с РОС13. Подходящая темпе-
ратура питателя источника РВг3 443 К. При высоких температурах и сравни-
тельно низких концентрациях РОС13 (0,2...0,3%) получаются низкие значения Rs
и результаты наиболее воспроизводимы. При малых концентрациях РОС13 (по-
рядка 0,02%) и низких температурах имеется возможность получать поряд-
ка нескольких сотен ом на квадрат.
Газообразные источники диффузии в потоке газа. Наи-
более часто используется фосфин в разбавленном виде с 99,9% аргона или
азота. Применяется слабоокислительный газ-носитель
2РН3+4О2—>Р2О5 + ЗН2О
Как и в других источниках, Р2О5 доставляется к подложке. Возможность раз-
бавления газообразного фосфина обеспечивает точный способ регулирования
локальной концентрации Р2О3, в то время как при использовании твердых и
жидких источников диффузанта такое регулирование обычно не осуществляется.
Одной из главных причин, затрудняющих регулирование концентрации, яв-
ляется влияние самой трубы из кварцевого стекла, которая поглощает некото-
рое количество Р2О5 из газа-носителя в течение каждого процесса диффузии
и является дополнительным наряду с фосфином источником примеси. Диффузия
из фосфина позволяет воспроизводимо получать от 0,2 до 200 Ом/D в диа-
пазоне температур 1173...1473 К, а при более низкой температуре (1023 К) и
повышенном (50%) содержании кислорода можно получить около 1000 Ом/D.
Диффузия мышьяка и сурьмы. Коэффициент диффузии мышьяка на поря-
док меньше бора и фосфора. Следовательно, его целесообразно использовать
тогда, когда требуется, чтобы примесь была неподвижна на последующих вы-
сокотемпературных операциях или для изготовления слоев с резким профилем
легирования.
Тетраэдрический радиус мышьяка идентичен кремнию, так что его можно
вводить в больших концентрациях без искажений решетки. Максимальная кон-
центрация электрически активного мышьяка составляет 4-1020 см~3.
Диффузия мышьяка обычно происходит по реакции трехокиси мышьяка
As2O3 с кремнием
2As2O3+3Si’=fc3SiO2+4As
Если используется твердый источник As2O3, то, чтобы получить подходящее
давление паров, источник нагревается до 423...523 К. При проведении процесса
окисел транспортируется в зону диффузии инертным газом, так как мышьяк
очень сильно маскируется окислом, образующимся на поверхности кремния.
Тем не менее часто добавляют 0,5% О2, чтобы предотвратить образование
пятен за счет накопления мышьяка на границе окисел — кремний. Поверхност-
ная концентрация, полученная методом открытой трубы из твердого источника,
не превышает (2...3)-1019 см~3 из-за быстрого обеднения легированного слоя за
счет его испарения из кремния во время диффузии.
Успешно используются системы с газообразным мышьяком. Они более
удобны, чем системы, использующие As, но не дают поверхностную концентра-
цию выше 3-1019 см~3.
Метод запаянной ампулы также применяется для диффузии мышьяка. Крем-
ниевые пластины помещаются в кварцевую трубу вместе с источником мышья-
ка, который состоит из легированного кремниевого порошка, содержащего 3%
мышьяка. Трубу отжигают некоторое время при высокой температуре для уда-
183
Рис. 4.46. Фазовая диаграмма системы мышьяк — кремний
ления паров воды перед откачкой и запайкой. После диффузии труба вскры-
вается.
Метод отпаянной ампулы по сравнению с открытой трубой для диффузии
As имеет следующие преимущества: нет обеднения мышьяка на поверхности
кремния и достигается предельная концентрация (~ 1021 см~3; однородность
поверхностной концентрации от пластины к пластине лучше 2%, так как си-
стема закрыта.
Ионная имплантация также используется для загонки As. Имплантация
ионов высокой энергии производится глубоко в пластину, чтобы уменьшить
обеднение поверхности при разгонке мышьяком. Фазовая диаграмма системы
мышьяк — кремний приведена на рис. 4.46.
Сурьма часто используется вместо мышьяка, поскольку у них близкие коэф-
фициенты диффузии. Тетраэдрический ковалентный радиус Sb 1,36-10~4 мкм,
и поэтому концентрация электрически активной Sb ограничивается значением
(2...5)-1019 см~3. Однако сурьма имеет более низкое давление паров, чем мышь-
як, так что такую поверхностную концентрацию получают в открытой трубе.
В качестве источника сурьмы чаще всего используют трехокись 5Ь20з, ко-
торая является твердым источником. Используется двухзонная труба, 5Ь20з
размещается при температуре 873...923 К.
В некоторых системах используют четырехокись Sb2O4 при температуре
1173 К. В этом случае следует применять газы, в которых полностью отсутству-
ет кислород, так как сурьма относительно легко маскируется слоем SiO2 очень
малой толщины на поверхности пластины.
Системы с жидкими источниками используют пентахлорид сурьмы SbsCU.
В результате трехокись доставляется к поверхности кремния, откуда идет диф-
фузия. Стибин 5ЬНз трудно использовать в системах с газовыми источниками,
так как он нестабилен. Широкое применение находят также легированные сурь-
мой и мышьяком окислы, осажденные из раствора или пиролитические.
Твердые планарные источники мышьяка и сурьмы. ТПИ,
содержащие мышьяк, получают либо нанесением на графитовую подложку
стекла, содержащего мышьяк, либо пропиткой пористого огнеупорного диска
окислами. Пропиткой диска Sb2O4 получают ТПИ сурьмы. Первый метод имеет
те же недостатки, что и ТПИ на основе фосфорно-силикатного стекла.
184
Режим и результаты диффузии Sb и As в кремний p-типа из дисков, про-
питанных окислами, приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Режимы и результаты диффузии сурьмы и мышьяка
в кремнии р-типа
Источник Удельное электриче- ское сопро- тивление, Ом-см Темпера- тура диффузии, К Время диффу- зии, мин Удельное электри- ческое поверх- ностное сопротив- ление, Ом/П
Sb2O4 4700 1300 70 44
3600 1493 45 12
Аз20б 4300 1300 70 41
5000 1408 50 11
Твердые планарные источники для диффузии As получают пропиткой по-
ристой основы тугоплавкими материалами Ca6As20n, Ba6As20n и т. д. Другой
способ изготовления нечувствительного к влаге, прочного и пригодного для
многократного использования ТПИ заключается в том, что на обе стороны
подложки из Si или SiO2 наносится слой4 толщиной 8...20 мкм, содержащий ли-
гатуру, изготовленную по толстопленочной технологии из порошка SiO2 и
А120з (50...90%) и окисла одного из нескольких легирующих элементов Р, As,
Sb и др. Порошок с дисперсностью 1 мкм смешивается с органическим раство-
рителем и методом центрифугирования наносится на пластины, после чего спе-
кается в течение 3...4 ч. Если диффузия проводится в инертной атмосфере, то
требуется дополнительный отжиг в кислороде для его регенерации.
Диффузия золота, платины и селена. Так как коэффициент диффузии золо-
та на 5 порядков больше, чем у бора и фосфора, то золото — обычно последняя
примесь, которая вводится в микросхему. Иногда диффузию Au и разгонку
эмиттера проводят одновременно.
185
Рис. 4.48. Фазовая диаграмма системы платина — кремний
Диффузия золота обычно выполняется из пленки золота толщиной 0,01 мкм,
которая осаждается на кремнии в вакууме. Диффузия идет из жидкого сплава
золото — кремний, что приводит к повреждению поверхности кремния на глу-
бину в несколько микрометров. Поэтому золото осаждают на обратную сторону
пластины. Концентрация примеси регулируется температурой 1073...1123 К, так
как продолжительность диффузии (10... 15 мин) более чем достаточна, чтобы
золото продиффундировало на рабочую сторону. Для определения продолжи-
тельности диффузии, подбираемой обычно опытным путем, используют, напри-
мер, значение напряжения коллектор — эмиттер тестового транзистора в режиме
насыщения. Процесс легирования золотом следует проводить строго определен-
ное время, так как оно быстро диффундирует к поверхности пластины, где име-
ется много дефектов. При изготовлении полупроводникового прибора диффузия
золота является наиболее труднорегулируемым процессом.
В отличие от золота результаты по диффузии платины из элементарного
источника сильно варьируются, чаще всего используются примесные покрытия,
например легированные окислы, нанесенные кистью или центрифугированием.
Фазовые диаграммы систем Si —Au и Si —Pt приведены на рис. 4.47 и 4.48.
С целью улучшения переключающих свойств транзистора применяют леги-
рование кремния селеном. Время задержки п — р — n-транзистора, локально
легированного селеном дозой 5-Ю15 см~2, на 5 порядков меньше, чем у обычных
186
транзисторов. Однако при этом уменьшается коэффициент усиления транзистора
(табл. 4 6), что связано с замедлением эмиттерной и ускорением базовой
диффузии.
Таблица 4.6. Параметры транзисторов, легированных селеном
Доза селена, см-2 Коэффициент усиления hFE> 1с == 100 мкА, =5 В Напряжение, В, ПРИ 1с == 100 мкА Концентрация селена, см“"3
0 (обычный транзи- 190 59 1,5-1015
стор) ЫО15 87 62 1,8-10”
2-Ю15 74 62 2-10’5
5-Ю15 42 53 2,9-10”
Введение селена в кремний создает несколько глубоких центров в запре-
щенной зоне. Некоторые из них являются изолированными двойными донорами.
В нейтральном состоянии эти доноры с энергией 0,23 эВ имеют большую ско-
рость захвата. Селен также увеличивает энергию других уровней в запрещен-
ной зоне и может изменять таким образом плотность свободных носителей в
кремнии.
Диффузия алюминия. Высокое значение коэффициента диффузии алюминия
позволяет использовать его для изготовления глубоких диффузионных слоев
в мощных приборах. Тетраэдрический ковалентный радиус алюминия
1,26-10“4 мкм, максимальная предельная растворимость алюминия в кремнии
2-Ю19 см~3. Фазовая диаграмма системы А1—Si представлена на рис. 4.49.
При проведении диффузии алюминия из газовой фазы необходимо учиты-
вать большую химическую активность чистого алюминия, который покрывается
плотной окисной пленкой, затрудняющей сублимацию. Наиболее часто исполь-
зуют метод открытой трубы, где диффузию алюминия проводят в потоке азота
или аргона, или метод запаянной ампулы, причем ампулу предварительно от-
качивают либо заполняют аргоном.
Алюминий взаимодействует с кварцем, поэтому при проведении диффузии
в кварцевых ампулах парциальное давление его уменьшается, а насытить ам-
пулу алюминием за один цикл невозможно. Поэтому при температуре
1373...1623 К поверхностная концентрация атомов алюминия в полупроводнико-
вых материалах не превышает 1817 см~3. Если диффузию проводить в алундо-
вых контейнерах или керамических трубах, то при температурах 473 К поверх-
ностная концентрация алюминия может достигать 2,7 -1019 см~3. Кроме эле-
ментарного алюминия в качестве диффузанта иногда используется
сплав алюминия с кремнием эвтектического состава (82,3% А! и 12,7% Si), а
также основания и соли алюминия А1(ОН)3; A1(NO3)2 и A12(SO4)3.
Хорошие результаты по распределению концентрации диффундирующей при-
меси получают, если алюминий предварительно наносят на поверхность полу-
проводниковой пластины распылением в вакууме при температуре подложки
Диффузия алюминия из легированных окислов и фоторезисторов-диффузан-
тов не дает поверхностных концентраций, близких к предельной растворимости,
из-за образования в результате протекания на поверхности кремния химических
реакций пленки SiO2, препятствующей попаданию на кремний атомов А1.
Диффузия галлия. Галлий все чаще используется для изготовления p-обла-
стей кремниевых мощных приборов.
Тетраэдрический ковалентный радиус галлия составляет 1,36-10-4 ,мкм.
Его максимальная предельная растворимость в кремнии 4-Ю19 см-3. Диффузию
187
Массовые доли Si. %
Рис. 4.49. Фазовая диаграмма системы алюминий — кремний:
/ — Ху = 1,75 мкм; 2 — исходный кремний КЭФ-5 (Тдиф = 1423 К, Яв«=1550 ом/П, Ху =
= 1,3 мкм)
галлия проводят методом открытой трубы или методом запаянной ампулы в
вакууме из легированных окислов. Материалом для диффузии галлия из внеш-
него источника является окись галлия Ga2O3, сплав галлия или чистый галлий.
Галлий может диффундировать из Ga2O3, если в качестве газа-носителя ис-
пользовать восстанавливающий газ, например водород или окись углерода:
Ga2O3+2Н2.—>Ga2O+2Н2О;
GaO3+2СО—>Ga2O+2СО.
Ga2O летуч, и именно его пары переносятся к кремнию. В азоте, аргоне, кис-
лороде не происходит химического восстановления, поэтому отсутствует и пере-
нос галлия.
Присутствие паров воды в Н2 или СО препятствует диффузии галлия. Уве-
личивая концентрацию паров воды, уменьшают поверхностную концентрацию
галлия в слое. При проведении диффузии галлия по методу открытой трубы
в потоке азота или аргона (400 см3/мин) в кварцевой или керамической трубе
получена поверхностная концентрация галлия в кремнии при температуре
1404...1531 К 1,1 • 1O17...4,4-1018 см~3. В качестве диффузанта здесь используют
навеску из элементарного галлия 99,999% чистоты. Диффузия галлия по мето-
ду запаянной ампулы, дает поверхностные концентрации 1,4-1О19...2,1 • 1020 см“3.
188
4.7. Примесные покрытия
Диффузия примеси из примесных покрытий, предварительно сформирован-
ных на поверхности пластины при низких температурах, позволяет избежать
многих недостатков, присущих внешним источникам (необходимость в проведе-
нии двухстадийных процессов для достижения более низких, чем предельная
растворимость, поверхностных концентраций; необходимость термостатировать
жидкие источники; низкая летучесть и гигроскопичность твердых источников —
окислов легирующей примеси; трудности, связанные с насыщением кварцевых
труб окислами бора и фосфора, при использовании газообразных источников;
вероятность травления поверхности жидкими галогенами во время диффузии).
Это во многом обусловлено тем, что отсутствует необходимость однородного
переноса паров диффузанта к подложке. Поверхностная концентрация примеси
контролируется не предельной растворимостью в кремнии, а концентрацией при-
меси в окисле. Кроме того, некоторые примесные покрытия (например, легиро-
ванный окисел) можно легировать по крайней мере двумя примесями: при-
месью-компенсатором и примесью-диффузантом. Примесь-компенсатор (сурьма,
олово, германий) выбирается с таким тетраэдрическим ковалентным радиусом,
чтобы при одновременной (или предварительной) диффузии скомпенсировать
механические напряжения в кристаллической решетке полупроводника (Si),
возникающие при введении больших до предела растворимости концентраций
диффузанта (бора, фосфора), противоположными по знаку механическими на-
пряжениями, создаваемыми примесью-компенсатором, и обеспечить получение
структурно совершенных диффузионных слоев. Для аналогичных целей могут
использоваться пары фосфор — германий, бор—германий, а также мышьяк как
добавка для бора и для фосфора.
Легированные окислы как источник примеси. Практическое использование
пленок диэлектриков, осажденных из растворов гидролизующихся соединений,
началось в конце 30-х годов и было связано с получением просветляющих по-
крытий в оптике и различных электроизоляционных покрытий в электротехнике.
Используют различные окисные пленки, содержащие или не содержащие ма-
лые количества SiO2, А12О3, Fe2O3, SnO2, TiO2, Та2О5, SbO4, Zn2Os. Для осаж-
дения таких пленок из растворов используют соответствующие химические со-
единения, содержащие небольшие добавки тетраэтоксисилана (Si(OC2H5)4) или
не содержащие его вовсе. Тетраэтоксисилан — наиболее доступное соединение,
давно известное и широко применяемое во всех отраслях техники. Тетраэтокси-
силан является основой для формирования SiO2.
В качестве легирующих добавок в такие композиции вводят В2О3, Р2О3,
РОС13, элементоорганические соединения примеси (триэтоксибор, триметилборат,
триметилфосфат, ацетилацетонат галлия [GaCi0Hi4O4]NO3-4H2O, борную кис-
лоту, ортофосфорную кислоту, треххлористую сурьму).
Растворы, из которых осаждаются силикатные пленки, примерно на 80%
состоят из органических веществ. Однако уровень загрязнений ионами Fe, Р,
Mg, Си, Сг, А1 в них не выше, чем в ВВг3, РС13, В2О3, РОС13, т. е. н£ превы-
шает 2-10-4 масс. %.
Содержание щелочных металлов в термообработанных пленках и различ-
ных легированных пленках в среднем 5-1014 см-2, при уровне загрязнений по-
верхности исходных пластин 5-1013 см~2
Теоретически метод растворного осаждения не должен давать углеродо-
содержащие пленки, так-как формирование пленки происходит в результате
гидролиза тетраэтоксисилана и поликонденсации продуктов гидролиза
Обнаружено, что концентрация углерода не превышает 0,01 масс.%, или
1019 см-3 в пленке SiO2, осажденной из растворной композиции К-20Т. При
диффузии уровень легирования углеродом не превышает 5-Ю17 см~3, т. е. яв-
ляется таким же, как в исходной эпитаксиальной структуре. Однако наличие
углерода не является отрицательным фактором, его содержание (примерно
1019 см~3) способствует уменьшению токов утечки переходов.
Наличие редкоземельных металлов (РЗМ) в пленке улучшает характеристи-
ки пленок.
В табл. 4.7 приведены значения плотности поверхностных состояний N6St
удельной емкости Суд, электрической прочности £п, удельного сопротивления р,
189
Таблица 4.7. Характеристики легированных окислов, содержащих
редкоземельные металлы
Редкоземельные металлы М2О3 ! В2О3 SiO2 Z-" >i—0i х суд X 10-», ф—1 Еп X Ю8, В/м . РЯ X 103, Ом-м S» o/5w ‘osoi X а
Гольмий технической 2 : 16 : 82 8J 4,2 2,5 12,0 1,451 11,0
чистоты 5 : 16 : 79 8,2 6,5 5,4 5,6 1,507 5,7
10: 16:74 7,9 6,8 6,1 2,1 1,676 1,0
Гольмий сублимиро- 2 ; 16 : 82 6,5 3,1 12,3 24,0 1,480 4,5
ванный 5: 16 : 79 6,0 3,6 22,0 7,1 1,507 1,6
10: 16:74 5,8 3,6 25,1 6,2 1,773 0,88
Самарий технической 2 : 16 : 82 8,2 5,9 5,9 15,5 1,506 3,8
чистоты 5 : 16 : 79 8,1 6,8 8,9 7,2 1,631 1,1
10: 16:74 7,7 7,2 9,5 4,4 1,826 0,9
Самарий сублимиро- 2 : 16 : 82 5,3 6,2 31,7 38,1 1,492 1,5
ванный 5:16: 79 4,0 6,5 39,0 10,8 1,504' 0,81
10: 16:74 4,6 6,5 41,5 7,7 1,825 0,16
Пленка без РЗМ 16:84 8,7 4,8 1,8 89,5 1,432 —
показателя преломления или легированных бором пленок, осажденных из рас-
твора.
Причина улучшения характеристик пленок с сублимированными РЗМ за-
ключается в уменьшении содержания кислорода, углерода, фосфора, магния,
ванадия, которые нарушают стехиометрию и ухудшают характеристики стекло-
видной пленки. Исследования проведены на пластинах монокристаллического
кремния 5-10~2 Ом-м ориентации (111). Кроме того, диффузией РЗМ, напри-
мер, иттербия в кремний из легированных окислов можно формировать мелкие
р—«-переходы.
Из методов получения легированных окислов выделяются две основные
группы.
1. Получение пленок с участием кремниевой подложки, включая анодное
окисление кремния в электролитах, содержащих растворимые соединения леги-
рующего элемента.
2. Осаждение легированных окисных пленок на полупроводниковые под-
ложки из внешнего источника: методом газотранспортных реакций; пиролизом
металлорганических соединений; реактивным распылением в окисляющей ат-
мосфере; в гидридном процессе, т. е. осаждением из парогазовой фазы при
совместном контролируемом окислении гидридов кремния и примесей-диффу-
зантов; осаждением из растворов.
В методе анодного окисления электролитом служит деионизованная вода
или раствор КГчОз в «-метилацетамиде, этиленгликоле, в который добавляют
вещества, содержащие соответствующие примеси, например 15%-ную пирофос-
форную кислоту в тетрагидрофуриловом спирте для получения пленок окисла
с фосфором.
При осажденци из растворов используется раствор, представляющий собой
смесь, например, кремнийорганического соединения (тетраэтоксисилана), воды
и органического растворителя, в которую вводятся вещества, содержащие эле-
менты III, IV групп. В процессе созревания раствора в присутствии воды и
катализатора происходит гидролиз, раствор приобретает пленкообразующие
свойства. Затем этот раствор центрифугированием наносят на пластину, кото-
рую отжигают при температуре 873...1023 К для образования стекла.
В методе газотранспортных реакций пленки SiCh, легированные бором, фос-
фором, мышьяком, сурьмой, галлием, получаются в результате использования
следующих химических реакций:
190
SiO2 (тв) + 4HF (газ) SiF4 (газ) 4- 2Н2О (газ)
Р2О5 (тв) + 10HF (газ) =^2PF5 (газ) + 5Н2О (газ)
В2О3(тв) +6HF(газ) =^2ВР3(газ) +ЗН2О (газ)
При наличии температурных градиентов (кварцевая ампула размещается
в двухзонной печи) эти обратимые реакции применяются для переноса твердых
Окислов SiO2, РЮб, В2Ов и т. п. из одной части системы в другую (к подложке)
через летучие фториды в диапазоне 773...1073 К, транспортным агентом являются
пары HF. Мышьяк, сурьма и галлий вводятся в SiO2 через хлориды, так ка$
фториды этих элементов в указанном диапазоне температур нелетучие. Подоб-
ный перенос осуществляется в отпаянных кварцевых ампулах. Толщина слоев
составляет десятки микрометров.
Легированные пленки SiO2, содержащие бор и фосфор, получают осажде-
нием при разложении металлоорганических соединений (алкоксисиланов, алкил-
боратов и алкилфосфатов) в диапазоне температур 973...1073 К. Этим же мето-
дом получают пленки SiO2, легированные алюминием из тетраэтилортосиликата
и триизобутилалюминия в атмосфере кислорода при температуре 523...773 К.
сурьмой из триэтилстибина Sb(C2Hg)3 при температурах 523...773 К в атмосфере
азота, мышьяком из тетраэтоксисилана и AsCl3.
В гидридном методе используются гидриды кремния и легирующих при-
месей (фосфин, диборан, арсин и др.). В качестве легирующих веществ также
используются элементоорганические соединения и хлориды. Скорость осаждения
пленок составляет 0,05...0,1 мкм при температуре 523...773 К.
Преимущества и недостатки различных методов проанализированы
в табл. 4.8.
Окисные пленки, полученные осаждением из растворов. Преимущество леги-
рованных пленок, осаждаемых из растворов, заключается в том, что для осаж-
дения пленок не требуется сложного технологического оборудования, как, на-
пример, для гидридного процесса или газотранспортных реакций.
Осаждением из растворов получают окисные пленки практически всех эле-
ментов высших валентностей в виде однокомпонентного слоя (т. е. слоя окисла
лишь одного элемента) или многокомпонентного.
Методы получения пленок из растворов:
погружение покрываемого образца в пленкообразующий раствор;
слив пленкообразующего раствора (покрываемая деталь остается непо-
движной, а жидкость сливается);
распыление или пульверизация раствора;
центрифугирование — вращение покрываемого образца, обеспечивающее
равномерное распределение раствора по поверхности. Это наиболее распростра-
ненный метод, позволяющий создавать относительно тонкослойные покрытия
(0,1...0,3 мкм) на плоских образцах и пластинах с неглубоким рельефом по-
верхности. Толстые силикатные покрытия (до 1 мкм и выше) могут быть по-
лучены путем многократного нанесения — наслаивания с промежуточным про-
гревом.
В процессе термообработки окончательно формируются окисные пленки,
осаждаемые из растворов, т. е. при температурах до 473 К происходит полное
удаление растворителей и органических остатков, при температуре до 773 К
удаление~ основной части влаги, разложение неорганических солей и кислот,
полная дегидратация и окончательное формирование окисных пленок, стекло-
образование в многокомпонентных пленках происходит при температурах свы-
ше 773 К.
Газовая среда, в которой производится термообработка пленок, оказывает
существенное влияние при температуре свыше 773 К.
Термообработка в вакууме позволяет резко снизить температуру, необхо-
димую для окончательного формирования пленок.
Для полупроводниковых приборов применяют слои толщиной 0,08...0,3 мкм.
Важнейшими факторами состава, влияющими на толщину пленок, являются:
концентрация пленкообразующей компоненты (тетраэтоксисилана); содер-
жание воды в растворе; содержание примесного соединения; вид органического
растворителя.
Таблица 4.8. Анализ методов получения легированных окислов
Метод получения Преимущества Недостатки
Анодное окисление 1. Легированный окисел образуется только в об- ласти незащищенного полупроводника, а это сокращает количество последующих операций маскирования и травле- ния 1. Невозможность получе- ния источников большой толщины (>1,0 мкм) для проведения высокотемпера- турных диффузий 2. Невозможность получе- ния нелегированного окисла поверх легированного для защиты от испарения и обеднения источника
Пиролитическое раз- ложение металлоорга- нических соединений 1. Легированные пленки могут состоять из окис- лов двух или более эле- ментов 1. Вследствие высоких тем- ператур разложения, метал- лоорганических соединений возможно образование уг- леводородных соединений, загрязняющих окисел 2. Затруднение регулировки поверхностной концентра- ции примеси в пленке
Газотранспортные ре- акции 1. Возможность получать слои толщиной в десят- ки микрометров 1. Токсичность применяемой фтористоводородной кисло- ты 2. Большие затраты време- ни на запайку ампулы 3. Необходимость в двух- зонной печи для создания градиента температур
Осаждение окислов из газовой фазы при контролируемом окис- лении гидридов SiH4, РН3, В2Н6, AsH3 1. Низкие температуры осаждения (523...773 К) и высокие скорости осаждения (0,05... ...0,3 мкм/мин) 2. Совместим с получе- нием силановым мето- дом нитрида кремния Si3H7, исключающего ис- парение примеси из пленки 3. Возможность получе- ния бинарных (SiO2—В20з; SiO2—А120з и т. д.) и тройных (SiO2—GeO2—Аз20з; SiO2—Р2О5—As2O3) пле- нок 1. Токсичность исходных ма- териалов, высокая стои- мость 2. Необходимость в допол- нительном сложном и доро- гом оборудовании для осаждения легированных окислов 3. Зависимость поверхност- ной концентрации примесей и ее однородности от при- менения 4. Затруднение регулировки поверхностной концентраций примеси в пленке
Формирование окис- лов из растворов 1. Широкий диапазон концентраций легирую- щей примеси в пленках 2. Высокая точность до- зировки примеси 1. Часто высокие темпера- туры термодеструкции пле- нок (773... 1073 К) 2. Возможность создания только тонкослойных по- крытий (<1,0 мкм)
192
Окончание табл. 4.8
Метод получения Преимущества Недостатки
3. Возможность введе-
ния широкого ряда при-
месей
4. Возможность форми-
рования бездефектных
легированных слоев в
широком диапазоне кон-
центраций и глубин
5. Низкая токсичность,
отсутствие побочных ре-
акций, возможность ис-
пользования установок с
упрощенной газовой схе-
мой
Осаждение слоев из раствора обеспечивает получение пленок с воспроиз-
водимыми параметрами точно заданного состава при фиксированных условиях
осаждения и термообработки. Если допустить, что испарение примеси при по-
лучении пленки незначительное, то содержание примеси в пленке определяется
концентрацией примесного соединения в исходном растворе. Однако в процессе
приготовления смешанных пленкообразующих растворов могут образовываться
легколетучие примесные вещества, испаряющиеся вместе с растворителями я
приводящие к заметным потерям примеси в пленке. Потери примеси могут
происходить и в процессах осаждения и термообработки пленок. При этом
изменение состава пленки подчиняется следующим закономерностям:
потери примеси за счет испарения при нагревании пленок до 973 К нахо-
дятся в прямой зависимости от начальной концентрации примеси в пленке;
при повышении температуры нагрева (выше 973 К) скорость испарения
примесей увеличивается, зависимость потерь от начальной концентрации со-
храняется;
на скорость испарения примесей из пленок при термообработке заметное
влияние оказывает газовая среда (воздух, азот, кислород).
Пленки, полученные из растворов, применяются для различных целей; в ка-
честве источника примеси при диффузии в полупроводник; для геттерирования
быстродиффундирующих металлов из полупроводника; для маскирования вря
диффузии; для получения защитных и пассивирующих покрытий.
Диффузия акцепторов из легированного окисла. При температуре диффузия
на границе раздела кремний — легированный окисел происходит реакция вос-
становления элементарной акцепторной примеси из его окисла:
М2О3+1,5Si =2М+1,55SiO2, (4.26)
где М — акцепторная примесь; М20з — ее окисел.
Поверхностная концентрация примеси в кремнии определяется уравнениями
lgWM = lg N*m + 6 lgnM2o3,
lg N* м = 1g N м/kP/P м + a>
где n M2o3—содержание окисла примеси в источнике; W°m—предельная рас-
творимость акцепторной примеси при температуре диффузии; N* мнекоторая
фиктивная величина, к которой стремится поверхностная концентрация /Ум
при ЛмзОз”*!; — константа равновесия реакции (4.26); р°м — давление
насыщенного пара акцептора. Коэффициенты а и b приведены в табл. 4.9.
13 Заказ № 1270
193
Таблица 4.9. Коэффициенты а и b для расчета
поверхностной концентрации акцепторов в кремнии
при диффузии из легированных окислов
Акцептор лМ2Оа - мас- доля, % а ь
В 5...9 0,27 0,73
5...7,7 0,06 0,24
А1 7,7...9 0,89 7,54
5...7,7 0,03 0,2
Ga 7,7...9 0,5 4,24
Для бора и галлия УУ*м>№м, а для алюминия 7У*м<№м. Это означа-
ет, что при диффузии бора и галлия из легированного SiO2 можно достичь
предельной растворимости этих примесей в кремнии, но ее нельзя достичь для
алюминия.
Малые значения коэффициентов а и b для галлия и алюминия при
лМ20з ^0,77 указывают на слабую зависимость поверхностной концентрации
этих примесей от содержания М20з в легированном SiO2, что наблюдается
экспериментально.
Диффузия бора из боросиликатных пленок. Для случая, когда диффузион-
ная длина бора в окисле меньше толщины пленки и при отсутствии барьерного
ёлоя для растворных пленок с низкой концентрацией бора, зависимость
N8—f(Noi) (рис. 4.50) почти линейка, а коэффициенты диффузии в пленке и
кремнии не зависят от концентрации бора в пленке. Линейный участок кривой
для пиролитических пленок находится ниже, поскольку коэффициент диффузии
бора в них меньше. При больших концентрациях бора в пленке зависимость
N8=f(NQi) уже нелинейна, причем вид этой зависимости изменяется с изме-
Рис. 4.50. Зависимость поверхностной кон-
центрации бора от его концентрации в
пленке:
/, 2, 3 — растворная пленка; 4 — пиролитическая
пленка; (/) — 1523, (2) — 1493, (3) — 1473, (4) —
1323 К
Рис. 4.51. Фазовая диаграмма систе-
мы В2О3—SiO2 для состояния устой-
чивого равновесия
7,/Г
1873
----1-----1-----1-----1—
—Линия ликбидуса
---метастабилькая граница
---Линия стеклования
VZZZb Рас пл об
У^Ш^Слобое разделение фаз
h73h
Жидкость
W73
627
О—_____-_______________
SiO2 20 40 60 60 В2О3
Молярные доли В2О3,%
1194
нием температуры. Начало нелинейной области соответствует области стекло-
вания боросиликатного слоя.
В этой области коэффициент диффузии бора D зависит от концентрации
бора в пленке. При температурах выше температуры стеклования D резко
увеличивается с ростом температуры и может превысить соответствующее зна-
чение для твердого состояния на несколько порядков. Если необходимо иметь
поверхностную концентрацию бора, близкую к предельной, то температура диф-
фузионного отжига должна быть больше температуры стеклования боросили-
катного стекла. Требуемое значение Ws можно получцть также, увеличив тол-
щину пленки, например, двухразовым нанесением пленкообразующего раствора
с промежуточной термообработкой.
Воспроизводимость поверхностного сопротивления и составляет по разным
источникам 1...10, 5...7%. Для проведения диффузии бора при температуре ни-
же 1373 К должны приниматься специальные меры по удалению промежуточ-
ного окисного слоя или по строгому контролю его толщины, так как этот тонкий
окисный слой является барьером при диффузии бора в кремний, что может
привести к эффекту «запаздывания» при диффузии бора в окислительной среде.
При содержании В2О3 в пленке около 30% влияние тонкого барьерного слоя
уменьшается за счет того, что он быстро проплавляется слоем легированного
стекла, находящегося в расплавленном состоянии.
При исследовании диффузии из растворных пленок на основе тетраэтокси-
силана 20% В2О3 на воздухе при температуре 1523 К в течение 1...20 ч обнаруже-
но, что уменьшение поверхностной концентрации бора в кремнии в течение 1...5 ч
связано с истощением легированной пленки из-за испарения и образованием барь-
ерного слоя SiO2 при взаимодействии с кислородом воздуха. Первоначально
диффузия бора в кремний идет из бесконечного источника легированной пленки,
затем из источника на поверхности кремния, сформированного первоначально,
поэтому распределение подчиняется ехр(—z2). При содержании бора в пленку
от 27 до 81 мае. % Ns резко уменьшается в первые 0,5 ч диффузии, так как
при содержании В2О3>20% стекла становятся жидкими (рис. 4.51), что уве*
личивает вероятность испарения примеси.
Коэффициент распределения (сегрегации) бора дается уравнением
lg т= ~~ lgNB*—-Igc— lg WB,
о о
где а = 0,27; 6=0,73; c—Nifn ВгОз; А = 5,6-1020 см3 для температур 400... 1600 К*
Как следует из этого уравнения, температурная зависимость коэффициен-
та распределения бора отсутствует.
Диффузией бора из борофосфорносиликатного стекла, содержащего 4,5 к
4 вес. % бора и фосфора соответственно, получают также мелкие п — р-переходы.
Диффузия алюминия из легированного окисла. Диффузия алюминия имеет
ряд особенностей по сравнению с диффузией бора. Известно, что алюминий не
восстанавливается кремнием из высшего окисла подобно бору из В2О3. При
высоких температурах существуют устойчивые низшие окислы (субокислы) алю-
миния, которые имеют более высокие давления паров, чем А12О3. Так, в ин-
тервале температур 1373...1973 К термодинамически устойчивым является суб-
окисел А12О. Термодинамический расчет показал, что восстановление А12О
кремнием до свободного состояния по реакции
2А12О + Si = SiO2 4- 4А1 (4.27)
гораздо более вероятно, чем восстановление А12О3. Кроме того, предполагается,
что в реакциях восстановления может принимать участие и моноокись крем-
ния SiO, которая является термодинамически устойчивой при температуре
выше 1453 К:
Al2O+SiO = SiO2 +2А1; (4.28)
Al2O3+3SiO=3SiO2 +2А1. (4.29)
В случае, если имеет место реакция (4.27), т. е. взаимодействие между вещест-
вами, находящимися в различных фазах, то окисление кремния тормозит пере-
13*
195
вос А12О к зоне реакции и восстановление А12О прекращается, как только на
кремнии вырастает некоторый критический слой окисла. Если идут реак-
ции (4.28) и (4.29), то они проходят в газовой фазе и рост окисла на кремнии
ве препятствует реакции, а препятствует лишь попаданию А1 на поверхность
кремния. В любом случае при диффузии А1 из А120з на воздухе после нара-
стания пленки SiO2 в течение поток атомов из источника прекращается.
Поэтому распределение алюминия в диффузионном слое должно соответство-
вать ехр(—z2). Восстановление алюминия из окисла, проведенное в атмосфере
инертного газа, дает более высокие значения 2VS как из-за отсутствия SiO2 на
поверхности кремния, так и вследствие более высокого давления паров А12О
в неокисляющей атмосфере (поскольку равновесие А12Оз^А12О4-О2 в инертной
атмосфере сдвигается вправо). Однако значение Ns даже в инертной атмос-
фере остается ниже предельной растворимости алюминия в кремнии, которая
ври температуре диффузии составляет примерно 2-Ю19 см~3. Для продолжи-
тельности диффузии свыше /0 и пА120 «0,2 мае. доли профиль алюминия
в кремнии описывается следующими уравнениями:
N(x, y)/^(0)=exp(-x2)ReTT(z), (4.30)
Dt-, z—y+ix; Re W(z),
где z=y+ix\ ReIF(z)—действительная часть интервала
вероятности комплексного аргумента; Bi — коэффициент из уравнения
ln(/?exj)-i=₽o+₽i/; ____
N(x, ~ exp - ** ]. (4.31)
Л у /—-Zq l 4D [t iq) J
Из рис. 4.50 видно, что N8 не зависит от времени при /<0,5 ч, при этом
• 1017 см~3. Кривая 2 для показывает, что зависимость N8 от
1/У/ описывается прямой, что свидетельствует о распределении А1 в кремнии
по экспоненте.
Коэффициент диффузии алюминия в кремний при температуре 1523 К
равен (3,014- 0,11 )• 1011 см2/с.
Диффузия галлия из легированного окисла. Исследование диффузии галлия
из растворных пленок с массовой долей Лда2о3 в интервале 1,5...68,1 при тем-
пературах диффузии 1423, 1473, 1523 К в течение 1, 3 и 6 ч показывает, что
в зависимости от температуры и содержания Ga2O3 в пленке распределение при-
меси определяется либо функцией erfcz, либо ехр(—z2).
Достигнута поверхностная концентрация галлия в кремнии с распреде-
лением exp(~~z2) TV8= 1 • 1018... 1,8• 1019 см-3, с распределением erfcz ;Vg==
=2,5-1018...2,7-1019 см-3. При иСа2Оз >22,6 мае. долей однородность и вос-
производимость поверхностной концентрации не превышает 3% и для всех
температур и продолжительностей диффузии глубина диффузии не зависит от
содержания Ga2O3 в пленке.
В табл. 4.10 сравниваются значения коэффициента диффузии, полученные
диффузией Ga и Ga2O3 в запаянной ампуле и из пленки. Диффузия проводилась
при температуре 1473 К в среде азота в течение 16 ч.
Известны композиции, содержащие кроме галлия примесь бора. Это дает
возможность получать глубокие диффузионные слои в сочетании с высокой
поверхностной концентрацией (;VS?> 1020 см-3).
Диффузия фосфора из фосфорно-силикатных пленок. При температуре диф-
фузии на границе раздела кремний — легированный SiO2, фосфор последний
восстанавливается в соответствии с реакцией (4.25). Расчет зависимости поверх-
ностной концентрации фосфора в кремнии Ns от концентрации Р2О5 в легиро-
ванном SiO2, однако, затруднен, так как при температурах диффузии Р2О5 и
Р существуют только в газовой фазе и отсутствуют термодинамические данные
для легированного фосфором SiO2. На рис. 4.52 приведена зависимость Afe=
==7(Мю) для растворных и пиролитических фосфорно-силикатных пленок. Так
196
Таблица 4.10. Сравнение температурной зависимости коэффициента
диффузии галлия
Источник Закон распределения примеси и S и ДЕ, эВ г, к о X и и ? сГ* м и
Оа2Оз erfc 1378... 1633 3,6 3,51 1423 1,35
(метод открытой тру- 1473 3,55
бы) 1523 8,81
erfc 1473...1523 0,454 3,25 1423 1,67
(из легированного 1473 3,9
окисла) 1523 10,8
ехр 1423...1523 3,0 3,4 1423 2,78
(из легированного 1473 6,49
окисла) 1523 18,0
как l//?s==l/y/ для пленок с содержанием Р2О5 от 0,004 до 0,624 мае. доли,
то легированные пленки считаются неограниченным источником при температуре
1420, 1470, 1520 К и продолжительности диффузии 15 мин и 4 ч.
Так же как и для бора, при низких концентрацих фосфора в пленке и тем-
пературе ниже 1373 К наблюдается запаздывание диффузии, связанное с на-
личием на поверхности тонкого барьерного окисла. При высоких концентра-
циях фосфора в пленке и температурах диффузии выше температуры стекло-
вания для данного состава коэффициент диффузии фосфора в кремний сильно
зависит от его концентрации. В этом случае имеет место нелинейная зависи-
мость A/s=f(AZ10).
На рис. 4.53 представлен рассчитанный профиль легирования кремния фос-
фором Для низких поверхностных концентраций наблюдается хорошее совпа-
дение теории и эксперимента. Для высоких концентраций отклонения от erfc z
Рис. 4.53. Профиль легирования
кремния фосфором, полученный диф-
фузией фосфора из осажденного
окисла при 7=1373 К
Рис. 4.52. Зависимость поверхност-
ной концентрации фосфора от его
концентрации в пленке:
1 — для растворимой пленки Т «1473 К,
Толщина пленки /г=0,2 мкм, продолжи-
тельность отжига /«15 мин; 2 — для рас-
творимой пленки. 7=1323 К, л=0,2 мкм,
/«30 мин; 3 — для растворимой пленки,
7=1073 К, /=1 ч
197)
обусловлены увеличением коэффициента диффузии фосфора в кремнии с уве-
личением концентрации. Интенсивность испарения фосфора из пленки леги-
рованного окисла при отжиге в открытой трубе больше, чем для бора. Так же
как и для бора, получить низкие поверхностные концентрации фосфора в крем-
нии с хорошей воспроизводимостью затруднительно. Если разброс R8 при
jVs=5*1017 см~3 составляет ±10%, то при As=5-1016 см-3 уже ±50%. Для
получения низких поверхностных концентраций фосфора в кремнии на уровне
1016...1017 см“3 с хорошей воспроизводимостью по Rs следует проводить диф-
фузию в две стадии, используя растворы с повышенной концентрацией фосфо-
ра. Отметим также, что воспроизводимость значений R8 улучшается, если диф-
фузионный отжиг проводить в газовой среде состава N2:O2=10:l вместо
чистого азота. Можно также снизить активность источника, добавляя в реактор
водород, который восстанавливает Р2О5 до элементарного фосфора, имеющего
очень низкий коэффициент диффузии в SiO2.
Воспроизводимость R8 эмиттерного слоя, полученного диффузией фосфора
из сильнолегированных пленок, была на уровне 2...5%.
Для уменьшения эффекта выдавливания базы за счет уменьшения гене-
рации дислокаций во время эмиттерной диффузии в кремний вводятся атомы
мышьяка. При этом используется растворная фосфоросодержащая легирующая
композиция с добавкой мышьяка.
Диффузия сурьмы из легированных пленок окислов. Диффузия сурьмы ис-
пользуется для изготовления скрытых п+-слоев в кремниевых ИС.
При диффузии сурьмы из сильнолегированной пленки наблюдалось пре-
кращение потока примеси в кремний после 150... 180 мин, при дальнейшем от-
жиге не изменялось.
На рис. 4.54 изображены зависимости Rs и Xj от продолжительности диф-
фузии сурьмы из силикатных пленок с различным содержанием 5Ь20э- При
диффузии сурьмы различными методами наблюдается эффект кристаллизации.
Мышьяково-силикатные пленки менее склонны к кристаллизации, чем сурьмяно-
силикатные.
В оптимальных условиях (при температуре 1393 К в атмосфере кислорода)
достигнуты значения /?s=10 Ом/D при х$=5 мкм (для раствора, содержаще-
го 60% БЬгОз), что значительно превышает параметры при диффузии сурьмы
бокс-методом.
Применение силикатных пленок, осажденных из растворов, в качестве за-
щитных и диэлектрических покрытий. Тонкие стекловидные пленки, осаждаемые
из растворов, обладают маскирующей способностью, высоким удельным
электрическим сопротивлением, влагостойкостью и стабилизируют исходные па-
раметры полупроводниковых приборов. Состав выбирается таким, чтобы коэф-
фициент термического расширения покрытия был близок к коэффициенту тер-
мического расширения проводника.
В качестве защитных и диэлектрических покрытий используют многоком-
понентные покрытия SiO2—В2О3—А12О3—PbO; SiO2—В2О3—А!2О3—ZnO—
Рио. 4.54. Зависимость поверхностного сопротивления R3 (а) и глубины диф-
фузии Xj (б) от продолжительности диффузии сурьмы с содержанием Sb2O3
в пленке:
lt 3 —КСС-60-20 Т, 2 — КСС’30-20 Т
198
CaO—MgO. Для приготовления пленкообразующего раствора такого состава
в качестве исходных веществ брали тетраэтоксисилан и водные растворы
азотнокислых солей Al, Zn, Са и Mg. Бор вводили в раствор в виде борной
кислоты.
Свинцово-силикатные пленки обладают хорошими защитными свойствами
и предназначены для создания покрытий с повышенной твердостью к меха-
ническим воздействиям.
Фосфорно-силикатные пленки (ФСС) с низким содержанием фосфора (до
8 мае. %) используются для межслойной изоляции в технологии СБИС, для
сглаживания резких ступенек окисла на поверхности и исключения обрывов
металлизации. Температура оплавления такого стекла ~ 1323 К может при-
вести к нежелательной диффузии легирующей примеси. Ее уменьшают либо
увеличением содержания фосфора, что может привести к коррозии металла,
либо применением борофосфорно-силикатного стекла BPSG с малым содер-
жанием фосфора (4% бора и 4% фосфора). Температура оплавления BPSG
составляет 1023...1223 К.
Методу осаждения пленок BPSG из растворов отдается предпочтение пе-
ред методами химического осаждения из паровой фазы из-за простоты обо-
рудования, отсутствия агрессивных компонентов (диборан, фосфин, моносилан),
лучшей планаризации поверхности.
Для планаризации используют осажденные из растворов пленки, которые
наносят на фотошаблоны или на фоторезист. Такие покрытия предохраняют
фотошаблоны от преждевременного износа, снижают коэффициент отражения
хромовых покрытий в 2...3 раза.
Полимерные пленки как источник примеси. Для обеспечения равномерного
нанесения на поверхность, адгезии к кремниевым подложкам, отсутствия дырок,
проколов при формировании пленки нашли применение элементоорганическиё
полимеры, например растворы триметаксибороксана и метилтриметоксилана,
тетраэтокси- и тетрабутоксистибина, тетраэтоксиалюминия. Однако малая мо-
лекулярная масса таких композиций обусловливает их малую вязкость, низ-
кую адгезию к подложке, высокую летучесть.
Эти недостатки устраняются использованием для формирования гомоген-
ных высокооднородных покрытий — источников диффузии — высокомолекулярных
систем, содержащих в структуре соединение легирующего элемента, например
цианоэтиллированной целлюлозы, содержащей равномерно распределенные мел-
кодисперсные частицы Р2О5, BN; полиметилметакрилат; полиметакрилат, где
С!—С6 алкил включает метил, этил, п-пропил, i-пропил, Z-бутил, sec-бутил,
n-амил и т. д., в которых равномерно распределены мелкодисперсные
(0Д...1 мкм) частицы BxSiy, BxNy, PxSiy, AsxSiy, SbxSiy; полимер, основой ко-
торого являются цепочки колец типа бензольных, где кольца составлены чере-
дующимися атомами бора и азота, часть атомов бора и азота может быть
заменена группами органических радикалов.
Фоторезисты-диффузанты. Для получения диффузионных слоев с высокой
однородностью поверхностной концентрации примеси в состав фоторезистов
вводят химические соединения легирующих элементов и используют такие фо-
торезисты в качестве диффузантов. Наиболее приемлемыми для совмещения
свойств фоторезиста и диффузанта в одном материале оказываются негативные
фоторезисты на основе полимеров в светочувствительных диазидов.
Концентрацию легирующей примеси в композиции регулируют, меняя со-
держание элементорганического соединения в пленке или варьируя природу
используемого в слое элементорганического соединения, изменяя тем самым
структуру и состав сшитого фоторельефа. Низкие концентрации легирующей
примеси получают, вводя легирующий элемент в мономерный фотоструктури-
рующий компонент, содержание которого в композиции относительно мало
(5... 10% от массы эластомера). Фотоструктурирование фиксирует равномерное
распределение светочувствительного компонента в пространственной сетке.
В свою очередь, это обеспечивает равномерное распределение малого количества
легирующего элемента в фоторельефе. Высоколегированные диффузионные слои
получают при использовании композиций, содержащих легирующий элемент в
составе полимера или в обоих компонентах. При этом величину поверхностной
концентрации в определенных пределах (от максимального до относительно ма-
199
лых значений) регулируют разбавлением композиции растворителем или орга-
ническим полимером, не содержащим легирующего элемента.
Формирование слоя полимерного диффузанта. Формиро-
вание пленки на подложке проводится стандартным для обычных фоторезистов
методом центрифугирования, который позволяет обеспечить высокую однород-
ность слоя в толщине. Скорость центрифугирования (2...3,5 тыс. мин-1) и про-
должительность вращения центрифуги (30...60 с) подбираются эксперимен-
тально, в зависимости от вязкости применяемого фоторезиста-диффузанта. Для
каждой определенной концентрации раствора имеется соответствующая ско-
рость, превышение которой не вызывает уменьшения толщины пленки.
Формированию сплошного полимерного слоя по всей площади полупровод-
никовой пластины достигается после испарения растворителя. При экспониро-
вании происходит пространственная сшивка молекул полимера, приводящая к
прочному и равномерному закреплению легирующего элемента в трехмерной
сетке.
После формирования слоя фоторезиста-диффузанта пластины проходят тер-
модеструкцию. Во время термодеструкции органические соединения разлагают-
ся, а окислы легирующих элементов образуют на поверхности полупроводнико-
вой пластины ровную и однородную пленку. После термодеструкции проводится
диффузия в интервале температур 273...573 К в течение необходимого времени.
Определение профиля концентрации диффундирующей
примеси. Распределение бора и фосфора в кремнии при диффузии на воз-
духе для количеств легирующего элемента 1О14...1О18 см~2 не совпадает ни с
распределением по дополнению к функции ошибок, ни с экспоненциальным рас-
пределением, поскольку при диффузии в окислительной среде наблюдается пе-
рераспределение примеси между кремнием и слоем SiO2. При этом наблюда-
ется испарение примеси с поверхности. Расчеты показывают, что во время диф-
фузии испаряется и перераспределяется в окисел, нарастающий на поверхности,
от 60 до 90% атомов фосфора и примерно 50% атомов бора, находящихся в
составе резистов на поверхности.
Особенности диффузии различных примесей III и
V групп. Поверхностная концентрация бора и фосфора в широком диапазоне
концентраций Ю^.-.Ю20 см~3 при заданном режиме диффузии линейно зависит
от толщины пленки диффузанта (рис. 4.55). В случае использования фоторези-
стов-диффузантов кремнеземная пленка отсутствует, в начале диффузии на по-
верхности кремния имеется лишь некоторое количество В2О3 или P2Os Кремне-
земная пленка нарастает в ходе диффузии. В ней не наблюдается та сложная
картина изменения профиля концентрации примеси, зависящая от многих фак-
торов, которая характерна для случая использования растворных стекол, что
значительно повышает воспроизводимость результатов. Разброс значений по-
верхностной концентрации составил ±10% для низких и ±(3...5%) для высоких
значений концентраций примеси в диффузионном слое.
Значение N8 при диффузии алюминия остается на порядок ниже предель-
ной растворимости алюминия в кремнии, составляющей 2-Ю19 см“3. Распреде-
ление алюминия в p-слое близко к гауссовскому.
Используя элементорганические соединения, можно получить смешанные
композиции, содержащие фосфор и сурьму (мышьяк) в требуемом соотноше-
нии. Это позволяет получать диффузионные слои, плотность дислокаций в кото-
рых на 5 порядков ниже, чем в слоях, легированных одним фосфором (103 и
108 см-2 соответственно).
Диффузия золота. Общепринятые источники диффузии золота в кремний
(напыленный или химически осажденный слой золота) являются бесконечными,
и диффузия золота зависит от многих параметров: температуры, скорости, ох-
лаждения пластин, воспроизводимости.
Применение полимера, содержащего элементорганическое соединение золо-
та, позволяет равномерно наносить на кремний контролируемые малые коли-
чества золота и проводить диффузию из ограниченного источника, достигая
поверхностных концентраций 1О13...1О15 см~3 и выше. Разброс Ns по площади
пластины диаметром 25...30 мм составлял 5... 15%. Скорость охлаждения не
влияет на результаты, так как при температуре, при которой оканчивается
медленное охлаждение (1073...1123 К), раствор золота в кремнии в упомянутом
200
Рис. 4.55. Зависимость поверхност-
ной концентрации N8 бора (/), фос-
фора (2), мышьяка и сурьмы (5)
от толщины d пленки фоторезиста-
диффузанта
Рис. 4.56. Поперечный разрез тран-
зистора, изготовленного диффузией
из микрокристаллического кремния:
J — контакт базы; 2 — контакт эмиттера
<Ti—Al); 3 —поли-Si; 4 —контакт кол-
лектора; 5 — слой SiOa
диапазоне концентраций еще не пересыщен (максимальная растворимость ато-
мов золота в узлах кристаллической решетки при 1123 К составляет lO^cir*3).
Диффузия золота из ограниченного источника имеет то преимущество, что N»
(при постоянной толщине пластины) зависит лишь от одного параметра —
количества нанесенного соединения золота, а из неограниченного источника —
от многих параметров.
Создание многослойных диффузионных кремниевых структур. Фоторезисты-
диффузанты позволяют ввести в кремний практически все требуемые примеси.
Пленки изученных фоторезистов гидрофобны, что дает возможность хранить
пластины после формирования пленки длительное время. Важным моментом яв-
ляется малая летучесть полимерного и тримеризованного слоя, содержащего
такие элементы, как мышьяк и сурьма, что делает нетоксичным полимер, в то
время как токсичность неорганических соединений этих элементов ограничивает
использование последних в качестве источников примеси. Так как на пластинах
нет избытка диффузанта, окисел служит маской при локальной диффузии в
течение более длительного времени. В ряде случаев это позволяет проводить
диффузию в одну стадию вместо двух. При соответствующей очистке фоторе-
зисторы-диффузанты не вносят добавочных центров рекомбинации и позволяют
получить высокие времена жизни неосновных носителей заряда (т=25..,35 мкс
для р — n-диодов, которые изготовлялись из пластин кремния п- и p-типа тол-
щиной 300...900 мкм, р = 40...200 Ом-см).
Локальная диффузия из фоторельефа. Так как все органические соединения
летучи, то при проведении локальной диффузии из фоторельефа следует пре-
дусмотреть защиту свободных от диффузанта участков пластины, для чего в
качестве защиты используется диоксид кремния, сформированный из раствора
на основе тетраэтоксисилана.
Результаты, полученные на высокоомном кремнии (р=1000 Ом-см), свиде-
тельствуют о попадании диффузанта на свободные от фоторезиста участки
поверхности кремния как на стадии термодеструкции, так и на стадии диф-
фузии.
Для ряда технологических задач возможно создание полимерных источни-
ков диффузии, обладающих свойствами фоторезистов для короткого ультра-
фиолета, а также электронорезистов-диффузантов.
Примесные покрытия для одновременного формирования мелких переходов
и омических контактов к ним. Легированные пленки поликристаллического крем-
ния позволяют создавать очень мелкие (<300 нм) слои с высокой концентра-
цией примеси и одновременно служат омическими контактами к этим слоям.
Диффузией из пленок, легированных мышьяком, фосфором, бором, сурьмой,
изготовляют и базовые, и эмиттерные области самосовмещенных биполярных
201
ИС со значительно улучшенной скоростью переключения, плотностью упаковки,
выходом годных ИС.
Высокий выход годных ИС является результатом уменьшения аномальных
диффузионных эффектов и генерации дефектов, связанных с высокой концен-
трацией примеси в эмиттере. Получают выигрыш и в усилении по току от 105
до 106 по сравнению с обычными транзисторами, который зависит от наличия
слоя SiOa на границе поли-Si — моно-Si.
Высокое удельное сопротивление поликристаллических пленок является
главной проблемой при расчете приборов в области высоких токов и частот.
Поэтому используют гидрогенизованный аморфный кремний а — Si: Н и микро-
кристаллический кремний цс — Si, сопротивление которого меньше а — Si: Н,
а ширина зоны 1,4 эВ. цс — Si является средним состоянием между поли-Si и
а — Si: Н. Он получается нагреванием а — Si: Н до температур 873...973 К
и рекристаллизацией.
На рис. 4.56 изображен лоперечный разрез транзистора, изготовленного диф-
фузией из Si.
Диффузия бора, фосфора, мышьяка в поликремний описывается коэффици-
ентами диффузии, состоящими из двух компонентов, обусловленных медлен-
ной диффузией в объеме (Db) и быстрой диффузией на границе зерна £дв.
В табл. 4.11 приведены значения Db/D^ для разных примесей, однако со-
стояние D^b/Db у разных авторов различное и зависит от условий процесса
осаждения и способа легирования.
Таблица 4.11. Коэффициенты диффузии бора в объеме Db и на границе
зерна £)дВ поликристаллического кремния
Примесь Темпера- тура, К Dfyt см2/с £>дв> см»/с
Фосфор 1313 3,3- ю-18 2,6-10-9 8,0-103 •
Бор 1075 1,8 ‘10-13 2,1-10-8 1,14-Ю5
Мышьяк 1000 4,0-10“15 8,9-10-19 1,78-КИ
Диффузия бора в аморфный гидрогенизированный кремний I — а — Si: Н
и превращение его в a=Sii-«Bx подчиняется закону Фика из бесконечного
источника. При термической активации распределение примесей в пленке опи-
сывается уравнением
N(x, t)^fN(xa) (4яР0.1/2ехр —dx,
со 4Dt
где х0 — толщина пленки.
Коэффициент диффузии бора зависит от способа получения покрытия и име-
ет значительно большую величину во время осаждения (2-10~17 см2/с), чем при
термической активации (2-10~21 см2/с) в диапазоне исследуемых температур
450...575К. Быстрая диффузия в неотожженных пленках объясняется переме-
щением атомов бора по многочисленным порам в структуре, содержащей во-
дород. При термической активации бор диффундирует по механизму замеще-
ния с энергией активации 1,6 эВ. Толщина пленок составляет 30 нм.
Анализ поликристаллических кремниевых источников бора, фосфора и
мышьяка для высоких уровней концентрации примеси в кремнии, выполненный
с помощью вторичной ионной масс-спектроскопии, выявил следующие особен-
ности:
1. Поликремниевые легированные источники характеризуются термообластя-
ми: собственно поликремнием, границей раздела поликремний — монокристал-
лическая подложка и монокристаллический кремний, в который диффундируют
примеси. Граница раздела, как правило, существует при температурах примеси,
и в то же время эпитаксиальная переориентация поликремния отсутствует.
2. Концентрация фосфора и мышьяка в поликремнии постоянна благодаря
высокому коэффициенту диффузии (~1013 см2/с) при 1223 К по границам
802
зерен. Для бора на границе раздела наблюдается незначительное увеличение
концентрации по сравнению с мышьяком и фосфором. Пик концентрации на
границе раздела обусловлен сегрегацией примеси по границам зерен (для бора);
или захватом мышьяка кислородом либо другими примесями.
3. Диффузионные профили фосфора и мышьяка в подложке кремния схо-
жи. Если не учитывать пика концентрации фосфора и мышьяка на границе
раздела, то можно считать, что профиль легирования непрерывно монотонный.
Следовательно, если концентрация примеси превышает концентрацию электри-
чески активной примеси в кремнии (Мэл.акт), то электрически активные атомы
фосфора и мышьяка очень мобильны. Профиль легирования бором имеет яв-
ный скачок вблизи границы раздела, и, несмотря на то, что концентрация бо-
ра в поликремнии Диполи-si превышает А^эл.акт примерно в 2 раза, кон-
центрация его в монокристаллическом кремнии не превышает А^эл.акт из-за то-
го, что электрически неактивные атомы бора неподвижны, образуют
неподвижные комплексы, которые распадаются, если W< Мал.акт.
4. Поликремниевые диффузионные источники позволяют изготавливать очень
мелкие переходы в монокристаллическом кремнии с предельно высокой кон-
центрацией и резким градиентом. Если поликремний легируется ионной им-
плантацией, то влияние нарушенной структуры, возникающей при ионном ле-
гировании, ограничено, так как имплантация проводится только в поликремний«
Если глубина диффузии xj не будет превышать размеров зерна dg поли-
кремниевого источника (dg«70..,300 нм), то распределение бора в подложке
можно считать одновременным и независимым от размера зерна. Наблюдаемое
сильное концентрационное увеличение коэффициента диффузии объясняется тем,
что примесь диффундирует без повреждения кристаллической решетки.
Бориды редкоземельных металлов (РЗМ), например лантана, которые осаж-
даются на поверхности подложки методом электронно-лучевого испарения, рас-
пыления из составного источника или одновременного распыления металличе-
ской и борсодержащей мишени, также служат хорошим источником бора для
формирования мелких слоев и одновременно омическими контактами к ним.
В табл. 4.12 приведены приближенные значения некоторых параметров
боридов лантана и иттрия.
Таблица 4.12. Приблизительные значения некоторых параметров боридов
лантана и иттрия
Параметр YBe LaBe
Точка плавления, К 2873 2873
Коэффициент термического расширения, X10~6/K Удельное сопротивление, мкОМсм: 6,1 6,3
для объема 40 17,4
для пленки 70...120 50...120
Работа выхода, эВ 2,22 2,66
Для достижения требуемой глубины диффузии пластина с нанесенным сло-
ем борида РЗМ подвергается термообработке. Достоинствами такой системы
являются низкая работа выхода, малая высота барьера, стойкость к воздей-
ствию кислот и высоких температур; легирование бором нижележащих областей
подложки осуществляется без какого-либо измерения проводимости материала.
Если в бориды РЗМ вводят кремний, LaB6Si или YB6Si, то на поверхно-
сти покрытия получают термическую окисную пленку также без ухудшения про-
водимости покрытия.
При толщине боридов лантана ~200 нм достигнута поверхностная кон-
центрация бора в кремнии 3-101& см~3.
203
Глава 5
Технология эпитаксиальных слоев
5.1. Физические основы процесса эпитаксии
Эпитаксия — ориентированный рост слоев, кристаллическая решетка кото-
рых повторяет структуру подложки. Если подложка и слой состоят из одного
вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, если из различных — гете-
роэпитаксиальным.
Хэмоэпитаксия — процесс образования новой фазы при химическом взаимо-
действии вещества подложки с веществом растущего слоя.
Стремление произвольной системы к минимуму свободной энергии приводит
к тому, что в процессе эпитаксии растущие слои ориентируются с некоторым
соответствием по отношению к соприкасающейся атомарной плоскости подложки.
Применимо к эпитаксии несоответствие кристаллических решеток может быть
Определено как d— (ai—bi)/ai при t=l, 2. Индекс i использован для обозна-
чения двух выбранных направлений на поверхности раздела; аг, bi — нормаль-
ные межатомные расстояния в пленке и подложке в направлении i.
Когерентная поверхность раздела — поверхность, через которую осуществля-
ется совершенное сопряжение атомов обоих веществ (а» = Ьг). Обычно такие
поверхности (плоскости) определяют в индексах Миллера.
Существует несколько моделей, объясняющих характер сопряжений смеж-
ных атомных плоскостей двух веществ. Если параметры решетки веществ раз-
личаются несущественно, говорят о псевдоморфизме — результате приспособле-
ния межатомных расстояний наращиваемого кристалла к межатомным расстоя-
ниям подложки. Однако в большинстве случаев наблюдаются скачкообразное
изменение параметра решетки на границе раздела и появление дислокаций,
понижающих возникающие механические напряжения.
Подложка оказывает существенное влияние на процесс кристаллизации
наращиваемого вещества. Атом, приходящий из внешней фазы, может пере-
дать ей свою кинетическую энергию. Силы связи между подложкой и адсор-
бированными атомами удерживают последние на поверхности; кристаллохими-
ческие особенности подложки влияют на скорость поверхностной диффузии ад-
сорбированных атомов и тем самым на кристаллографическую ориентацию
осаждаемой пленки. Несовершенства строения поверхности подложки также
сказываются на характере распределения и строении наращиваемого материала.
В процессе проведения эпитаксиального роста при высоких пересыщениях
легко образуются зародыши различных ориентаций и эпитаксия отсутствует.
При увеличении температуры подложки может произойти и изменение ориен-
тации роста.
5.2. Методы проведения эпитаксии
Конденсация из паровой фазы в вакууме. Атомы полупроводника перено-
сятся непосредственно от источника к кристаллу-подложке без промежуточного
взаимодействия путем испарения, сублимации, распыления и др. Количество
атомов или молекул, осевших на подложке, существенно зависит от темпера-
туры подложки, состояния ее поверхности, природы оседаемых атомов, их
кинетической энергии и угла падения (рис. 5.1, а).
Кинетика процесса кристаллизации в значительной степени зависит от
миграции адсорбированных атомов кристалла. Если бы оседающие частицы
связывались с поверхностью в точках поступления, то всегда образовывался
бы аморфный пористый слой вещества. Однако частицы обладают значитель-
ной подвижностью.
Тепловое рассеивание при эпитаксии осуществляется в момент соударения
и во время миграции атомов по подложке. Тепловое равновесие характери-
зуется временем жизни адсорбированных атомов т8.
204
Рис. 5.1. Испарение и нагрев подложки электронной бомбардировкой при эпи-
таксии:
1 — нить накала источника; 2 — электростатический экран; 3 —пары; кремния; 4 — элект-
ронный пучок; 5 — нить подогрева подложки; 6 — кремниевая подложка; 7 — расплавлен-
ный кремний; 8 — экран; 9 — основание с водяным охлаждением (нулевой потенциал)
10 — твердый кремний
Эпитаксию следует проводить по возможности в более глубоком вакууме,
так как интенсивность потока остаточного газа, бомбардирующего подложку в
вакууме 0,13-10~3 Па, эквивалентна нарастанию одного монослоя в секунду.
При автоэпитаксии кремния атомы, двигаясь по нагретой поверхности,
занимают положения, соответствующие кристаллической структуре подложки,
формируя плоскую двумерную решетку из островков, растущих вдоль поверх-
ности (рис. 5.1,6). Конденсация из молекулярного потока на холодной подложке
приводит к образованию поликристаллических или аморфных пленок. При по-
догреве подложки свыше 1273 К получают монокристаллические пленки, их
качество существенно зависит от состояния
подложки и остаточного давления газов. Для
обеспечения частоты процесса испарение крем-
ния проводят путем прямого разогрева элект-
рическим током пластины кремния, отстоящей
от подложки на (1...10) • 102 мкм. Получаемые
данным методом поли- и монокристаллические
пленки имеют большие удельные сопротивле-
ния. Зависимость скорости испарения кремния
от температуры приведена на рис. 5.2.
В зависимости от способа доставки крем-
ния к подложке различают следующие методы
получения эпитаксиальных слоев кремния в ва-
кууме: 1) метод молекулярных пучков в ва-
кууме; 2) сублимация; 3) катодное распыле-
ние. Общим для данных методов является то,
что кремний при испарении и переносе от ис-
точника к подложке, а затем кристаллизации
Рис. 5.2. Зависимость скорости испарения
кремния от температуры
не претерпевает каких-либо необратимых химических изменений. Отличаются
они друг от друга методикой испарения кремния, условиями осаждения и ап-
паратурным оформлением процесса.
Метод молекулярных пучков в вакууме (МПВ). Данный
метод основан на испарении кремния из жидкой фазы (источника) и после-
дующей его кристаллизации на поверхности разогретой подложки, располагае-
мой вблизи от источника. Способы испарения кремния в методе МПВ можно
классифицировать как тигельные и бестигельные (или автотигельные).
Для изготовления тиглей используют А120з, ThO, SiO2 и графит. Слои
кремния, полученные таким образом, обычно загрязнены материалом тигля из-
за большой химической активности кремния в расплавленном состоянии.
Для получения эпитаксиального кремния наиболее широкое распространение
находят бестигельные способы.
Подлежащий испарению кремний в виде стержня помещается внутри воль-
фрамовой спирали, которая является источником электронов. Испарение крем-
ния осуществляется из капли, образующейся при электронной бомбардировке
конца стержня. Каплю расплавленного кремния можно поддерживать в подве-
шенном состоянии внутри высокочастотного индуктора или образовывать в виде
перетяжки в месте контакта двух кремниевых электродов, по которым про-
пускают электрический ток.
Способ испарения кремния из жидкой фазы при пропускании тока через
брусок кремния основан на сильной температурной зависимости электропро-
водности кремния и скачке проводимости при переходе* от твердого к жидкому
состоянию (рис. 5.3). Охлаждение нижней грани бруска при пропускании через
него тока позволяет испарять кремний из жидкой фазы, образующейся в центре
верхней грани бруска и покоящейся на твердой нижней. Этот способ позволяет
осаждать слои кремния со скоростью 0,05...0,1 мкм/мин.
Испарители с электронно-лучевым нагревом кремния обладают лучшими
технологическими характеристиками.
Типичное устройство для электронно-лучевого нагрева кремния изображено
ва рис. 5.4. Источник кремния заземлен и нагревается электронным пучком.
Под действием высокого потенциала (на катоде 9 кВ), окружающего источник,
электроны ускоряются и фокусируются на заданном участке слитка на аноде.
Качество фокусировки пучка зависит от геометрии системы, но в правильно
сконструированном устройстве нагрев ограничивается участком менее 3 мм
в диаметре.
Испаряемое в подложку вещество располагают в геометрической тени от-
носительно источников электронов для ограничения загрязнений, выделяю-
щихся из катода. Расплавленный кремний располагается на поверхности твер-
Рис. 5.4. Схема устройства для элек-
тронно-лучевого нагрева кремния:
/ — нагреватель подложки; 2 — заслонка;
3 — подложка кремния; 4 — кремниевый
источник; 5 — электронный поток; 6 —
вольфрамовая нить
Рис. 5.3. Схема устройства для ис-
парения кремния:
1 — основание; 2 — изолирующая про-
слойка; 3 — токопроводы; 4 — кремние-
вый брусок; 5 — медные трубки
106
дого кремния и контактирует только с ним. Слиток в целом находится на во-
доохлаждаемой подставке, что предотвращает загрязнение испаряемого крем-
ния материалом тигля.
Этот способ нагрева позволяет поддерживать температуру источника на
несколько сотен градусов выше точки плавления кремния, благодаря чему до-
стигаются высокие скорости наращивания (до 4 мкм/мин) при минимальных
загрязнениях.
Нагрев подложек осуществляют различными способами: проволочными >и
ленточными нагревателями, изготовленными из тантала, молибдена или воль-
фрама, или расфокусированным электронным лучом.
Осаждению слоев кремния предшествует подготовительный этап, заклю-
чающийся в последовательном обезгаживании нагревателей, источника и под-
ложки кремния. После предварительной высокотемпературной обработки под-
ложки (до 1623 К) ее температуру снижают до заданной. С момента открытия
заслонки, расположенной между источником и подложкой, начинается процесс
наращивания слоев кремния.
Сублимация. Метод основан на испарении кремния с разогретой до
высокой температуры (1623 К) поверхности твердого образца и последующей
его кристаллизации на располагаемой вблизи от источника поверхности под-
ложки, имеющей более низкую температуру при давлении остаточных газов
133-(10-7...10-10) Па.
При сублимации кремния применяют следующие способы разогрева источ?
ника: прямое пропускание тока через нить или брусок кремния, индукционный
и электронно-лучевой нагрев. Нагрев подложек производится лампами накали-
вания, установленными вне камеры, излучением от источника кремния, лен-
точными нагревателями, пропусканием тока через кремниевую подложку или
расфокусированным электронным лучом.
Схема одного из устройств для получения эпитаксиальных слоев кремния
методом вакуумной сублимации показана на рис. 5.5.
Подложка кремния устанавливается на подставке, изготовленной из моно-
кристаллического кремния, которая является одновременно и источником крем-
ния. Подставка нагревается с помощью высокочастотного индуктора (Р=ЗкВт$
f=l,5 МГц) до температуры 1623...1653 К. При этом возможно нагревание
подставки излучением до 1373 К. Скорость роста слоев составляет 0,3 мкм/мин*
Независимо от метода осаждения слоев кремния выбранный способ нагрева
подложки должен исключать возможность загрязнения слоев, обеспечивать рав-
номерность нагрева всей поверхности подложки, обладать стабильностью в под-
держании заданной температуры, позволять регулирование температуры в ши-
роких пределах.
Применение того или иного способа нагрева подложки большей частью
обусловлено конструктивными особенностями используемого оборудования или
выбранного метода осаждения. Так, в методе сублимации чаще используют
нагрев подложки пропусканием тока аналогично нагреву испарителя или при-
меняют проволочные и ленточные нагреватели. В последнем способе возможно
загрязнение слоев примесями от нагревателей.
Метод получения слоев кремния, основанный на сублимации кремния, про-
ще в аппаратурном оформлении, проводится в сравнительно «чистых» вакуум-
ных условиях, однако имеет низкие скорости осаждения (максимальная
0,3 мкм/мин), малый кпд и обладает ограниченными возможностями при из-
готовлении полупроводниковых приборов.
Самыми существенными переменными в процессе осаждения слоев крем-
ния методами сублимации из МПВ являются давление паров кремния и тем-
пература подложки. Давление пара, как правило, регулируется температурой
источника. На плотность молекулярного пучка кроме температуры источника
влияют также геометрические факторы (размер зоны испарения и расстояние
до подложки). Отношением плотности падающего молекулярного пучка к
плотности обратного потока, вызванного испарением с поверхности подложки
при заданной температуре, определяется пересыщение пара в области фронта
кристаллизации. От степени этого пересыщения зависит и скорость осаждения
слоев. Скорость осаждения регулируется также изменением расстояния под-
ложка — испаритель.
т
Рис. 5.5. Схема устройства для по-
лучения слоев кремния методом суб-
лимации:
1 — кремниевая подложка; 2 — источник
кремния (подставка); 3 — высокочастотный
индуктор; 4 — держатель из кварца; 5 —
рабочая камера из кварца
Рис. 5.6. Схема устройства для ка-
тодного распыления кремния:
/ — держатель подложки (анод); 2 — на-
греватель подложки; 3 — испаритель (ка-
тод)
Катодное распыление. Данный метод распыления отличается от
двух вышеописанных тем, что процесс осуществляется в среде инертного газа
(обычно аргона) при давлениях 133-(10~2...10-4) Па. Схема устройства для
катодного распыления кремния приведена на рис. 5.6. Испаряемый материал
в этом случае является катодом тлеющего разряда. Атомы и ионы материала,
выбитые с поверхности катода положительными ионами аргона, конденсиру-
ются на разогретой до заданной температуры подложке. Степень пересыщения
при катодном распылении для различных температур подложки определяется по
изменению ионного тока между электродами.
Достоинства этого процесса — легкость очистки поверхности, простота обо-
рудования, отсутствие тиглей, достаточная универсальность, неизменность со-
става легированного кремния в процессе его осаждения, сравнительно низкая
температура кристаллизации (1023... 1173 К). Однако скорости катодного рас-
пыления кремния очень низки. Кроме того, наличие газов в рабочей камере,
необходимых для поддержания тлеющего разряда, приводит к загрязнению
слоев в процессе распыления.
Кристаллизация из газовой фазы. Атомы полупроводника переносятся в
составе химического соединения, которое диссоциирует на подложке. При этом
происходит перенос реагентов к поверхности кристаллической подложки; адсорб-
ция и реакция реагентов на поверхности; десорбция продуктов реакции; перенос
продуктов реакции из кристалла к основному потоку и упорядочение кристал-
лизации адсорбированных атомов кремния в решетке. Рост достаточно толстых
совершенных монокристаллических слоев осложняется образующимися дефекта-
ми роста.
Осаждение при нормальном давлении. В настоящее время
в технологии полупроводников осаждение из газовой фазы при нормальном
давлении применяется для эпитаксиального выращивания кремния, осаждения
пленок SiO2, Si3N4, полукристаллического кремния и др. Этот метод обеспечи-
вает достаточную однородность наносимых покрытий и может проводиться при
низкой температуре. Для осаждения пленок поликристаллического кремния и
нитрида кремния используются установки вертикального и горизонтального ти-
пов с нормальным давлением.
Схема горизонтального эпитаксиального реактора, использующего высоко-
частотный нагрев, представлена на рис. 5.7. Основные газы, применяемые в
реакторе, и их назначение приведены в табл. 5.1.
Осаждение при низком давлении. Установки, работающие при
низком давлении, просты конструктивно, производительны, обеспечивают хоро-
£08
Таблица 5.1. Газы и их назначение при использовании в процессе
эпитаксиального осаждения
Газ Назначение Примечания
n2 Г азоноситель Очищает от взрывоопасных и токсич- ных газов, имеющихся в реакторной трубе перед напуском воздуха
н2 То же Используется для выращивания эпи- таксиальных слоев
SiCl Источник Si Обычно жидкий источник Si испа- ряется в пузырьках Н2, пар корро- зионный, температурный интервал 1423... 1473 К, скорость роста 0,2... ...10 мкм/мин
SiH4 То же Обычно газообразный источник Si, пирофорный газ, температурный ин- тервал 1273... 1323 К, скорость роста 0,2... 1,0 мкм/мин
НС1 Травитель Si Используется для подготовки поверх- ности подложки, коррозионный ток- сичный газ
РНз Легирование Si Используется как источник фосфора для легирования эпитаксиальных пленок, воспламеняющийся токсичный газ
AsHo То же Свойства, аналогичные РН3
Sb(CH3)8 » Жидкий источник сурьмы использу- ется как испаритель при концентра- ции нескольких сотен на миллион молекул Н2 вместо нестабильного SbH3, пар токсичен Свойства, аналогичные РН3
в2н6 Легирование
Таблица 5.2. Основные типы реакций осаждения, используемых в установках
осаждения из газовой фазы при низком давлении
Осаждаемая пленка Уравнения реакции осаждения
Поликристаллический кремний Нитрид кремния 773...973 К SiH4 > Si + 2Н2 923...1173 К SiH4+NH3 > Si3N4 + H2 1023...1073 К SiH2Cl2+NH3 >Si3N4 + HCl
Диоксид кремния 723...873 К SiH4+O2+PH3 >SiO2+P2O6+H2 Si(OC3H7)4 >973 К или + (CH3O)3PO г ЭЮз+РгОз+НгО Si(OC2H5)4
14 Заказ № 1270
209
сечение \
ft ft__Q Хп\ О____Q.
гипПилектныйслоц^^- у
Графит, покрытый S1O
Выпуск
"---ц—о—и" и хб—о—сг
Гдадный газопровод, измерение скорости
потока газоо
Стенка трубы
'ИИИИИИМЯИИИаИЖ
и
tn
11
ТШРМ1
N2 гЬ ПНС1S1H4 ph, Н2 |7Й |^я
Г AsH3 Па Па
____ В2нв
Испаритель Sb(CH3)3
Стенка
трубы
Эпитаксиальная
г _ пленка
Графит,
покрытый 510
I
о
Й
о
X
§
I
г
у
I
л
§
Рис. 5.7. Схема установки для выращивания эпитаксиальных пленок кремния
с горизонтальным реактором высокочастотного нагрева
Рис. 5.8. Схема установки осажде-
ния из газовой фазы при низком
давлении:
Рис. 5.9. Конструкция установки
плазменного осаждения из газовой
фазы конденсаторного типа:
1 — источник ВЧ-мощности; 2 — вакуум-
ный насос
/ — печь резистивного нагрева; 2 — реак-
ционная печь; 3 — лодочка; 4 — пластина;
5 — пирометр; 6 — система регулировки
газа; 7 — вакуумметр; 8 — вакуумный
насос
шую однородность пленки, имеют малое газопотребление. На рис. 5.8 показана
одна из таких установок, в которой в качестве газа-носителя используется ге-
лий. При осаждении пленки поликристаллического кремния путем пиролиза
силана можно легко одновременно обрабатывать 50 пластин диаметром 102 мм.
Однородность по толщине составляет ±2%. С меньшей однородностью по
толщине на этой установке возможно получение пленок Si3N4 (табл. 3.2).
Плазменное осаждение. Метод плазменного осаждения нитрида
кремния имеет существенные преимущества перед другими методами. За счет
регулирования величины потока газа (рис. 5.9) в зависимости от уровня ВЧ-мощ-
нос1и и условий распределения мржно получить пленку с высокой однородно-
стью на большой площади. В установке используется система газов
210
N2-bNH4+SiH4 и осаждается пленка состава SixHyN2, температура обработки
473...573 К, вакуум 0,26 • 102 Па, ВЧ-мощность 500 Вт, скорость осаждения
пленки 0,67 нм/с.
Наиболее часто используемым соединением для осаждения кремния явля-
ется силан (SiH4), который вследствие высокой температуры осаждения мало-
чувствителен к окислению, приводящему к возникновению поверхностных де-
фектов. Разложение силана на поверхности кремниевой подложки происходит
в соответствии с реакцией
1273 К
SiH4(ra3)---Si(TB) + 2H2(ra3).
Установки для эпитаксиального выращивания восстановлением тетрахлорида
кремния имеют вертикальный или горизонтальный реактор. Перед осаждением
пластины кремния обрабатывают в потоке хлористого водорода при 1473 К
для удаления остаточной поверхностной пленки SiO2, затем в реактор подается
водород, насыщенный парами тетрахлорида, и на пластине происходит восста-
новление SiCl4 до атомарного кремния
SiCl+2H2=f±Si+4HCl.
Скорость роста пленки кремния пропорциональна парциальному давлению
силана, ее температурные зависимости для вертикального и горизонтального
реакторов представлены на рис. 5.10. Увеличение содержания SiCl4 до 5%
приводит к увеличению скорости роста пленки (рис. 5.11); затем скорость умень-
шается вследствие неполного восстановления SiCl4. При невысоких температу-
Рис. 5.10. Температурная зависимость скорости роста пленки кремния для вер-
тикального (1) и горизонтального (2) реакторов
рах подложки и больших содержаниях
SiCl4 образуются рыхлые аморфные плен-
ки. Увеличение температуры и уменьшение
молярной доли SiCl4 обусловливают уплот-
нение пленок. Выращивание производят при
температурах подложки 1473...1553 К, мо-
лярном содержании SiCl4 1...3% и скорости
протока водорода (2...3) • 105 м3/с. Опти-
мальная скорость роста 16...20 нм/с.
Рис. 5.11. Зависимость скорости роста
пленки кремния от молярного содержания
SiCl4
14*
Молярные доли S1C14,%
211
1
Рис. 5.12. Схема жидкостной эпитаксии:
/—•электрическая печь; 2 — кварцевая труба; 3 —термопара; 4 — ограничитель; 5 —под-
ложка; 6 — основной графитовый держатель; 7 — графитовый скользящий держатель
раствора; 8 — толкатель
Кремниевая эпитаксия широко применяется в технологии кремний на сап-
фире (КНС), где на сапфировой подложке выращивается эпитаксиальный слой
кремния толщиной 0,5... 1,0 мкм, в котором травлением получают островки для
формирования р- и n-областей. В результате достигается высокая плотность
упаковки элементов с хорошей изоляцией без паразитных связей.
Жидкофазная эпитаксия. Заключается в наращивании монокристаллического
слоя из металлического расплава насыщенного полупроводниковым материалом,
рекристаллизующимся на поверхности подложки. При температурном равно-
весии подложки с раствором наращивание происходит вследствие перенасыще-
ния раствора. В качестве растворителя используют легкоплавкий компонент
наращиваемого соединения, что снижает температуру кристаллизации, повышает
чистоту наращиваемого слоя и уменьшает концентрацию вакансий. Для полу-
чения эпитаксиальных слоев соединений AmBv используются только моно-
кристаллические подложки.
На рис. 5.12 показана схема устройства, обеспечивающего получение гетеро-
переходов (Ge-Si, GaAs-GaP) толщиной менее 1 мкм.
При эпитаксии, управляемой током (электроэпитаксии), через выращивае-
мый граничный слой пропускают электрический ток, температура системы под-
держивается постоянной. Таким способом выращиваются полупроводниковые
слои InSb, GaAs, InP, AlxGai-xAs и слои гранатов.
Совершенствование реакторов для жидкостной эпитаксии возможно путем
пропускания тока через границу раствор — подложка (рис. 5.13), что сопро-
вождается пельтье-нагревом или пельтье-охлаждением, в зависимости от на-
правления тока. Кинетика роста пленки зависит от толщины слоя, образую-
щегося на границе раствора.
Твердофазная эпитаксия (ТФЭ). В основе ТФЭ лежат процессы твердофаз-
ного взаимодействия в многослойной тонкопленочной системе, происходящие
при изотермическом отжиге. При нарастании эпитаксиальных слоев могут при-
нимать участие две или три твердые фазы, имеющие хороший контакт между
собой. Одна из фаз — монокристаллическая подложка, другие могут быть
аморфными, поликристаллическими или частично ориентированными. При эпи-
таксии из твердой фазы происходит процесс перекристаллизации одной из фаз
и ее ориентированное нарастание на поверхности подложки в процессе изотер-
мического отжига многослойной композиции.
Перед процессом ТФЭ на монокристаллических подложках кремния или
германия с ориентацией (111) или (100) осаждают пленку металла с помощью
212
б)
Рис. 5.13. Электроэпитаксиальное наращивание:
а — конструкция ячейки для электроэпитаксиального наращивания GaAs из растворов
Ga = As; б — зависимость скорости роста пленки GaAs из раствора Ga=As от измене-
ния температуры на границе;
1 — электрический контакт; 2 — подложка, Ga=As (n=min); 3— раствор GaAs; 4 — изо-
лятор; (------эффект Пельтье с электромиграцией;----------только электромиграция)
электронно-лучевого испарения со ско-
ростью 0,2...6 нм/с и проводят процесс
осаждения аморфного полупроводника
со скоростью 1...10 нм/с. Давление в
процессе осаждения составляет (0,67...
...1,33) • Ю-4 Па. Затем без развакуумиро-
вания системы образцы подвергают изо-
термическому отжигу в вакууме 10~4...
...10~3 Па или в потоке сухих инертных
газов (Аг, N2).
Молекулярно-лучевая эпитаксия
(МЛЭ). Основана на взаимодействии не-
скольких молекулярных пучков с нагре-
той монокристаллической подложкой с
осаждением на ней элементарных ком-
понентов. Схема установки для выра-
щивания пленок методом МЛЭ приве-
дена на рис. 5.14.
Эпитаксиальный рост осуществляет-
ся в сверхвысоком вакууме посредством
одновременной реакции многочисленных
молекулярных пучков различной плот-
ности и химического состава с нагретой
подложкой и характеризуется малой
контролируемой скоростью протекания
эпитаксии (1 мкм/ч или 1 атом.слой/с),
что позволяет модулировать молекуляр-
ный пучок с точностью до монослоя.
Низкая температура подложки (773...
...873 К) уменьшает число термодинамиче-
ских дефектов (вакансий) в эпитакси-
альном слое с высшим структурным раз-
решением, превышающим традиционные
методы на два порядка, и ничтожно
Рис. 5.15. Структура монокристалли-
ческой пленки кремния, полученной
методом графоэпитаксии
Рис. 5.14. Схема установки для вы-
ращивания пленок методом МЛЭ:
1 — электронная пушка; 2 — система ди-
фракции электронов; 3 — ионная пушка;
4 — масс-спектрометр; 5 — оптико-элек-
тронная система; 6 —- экран для дифрак-
ции электронов низких энергий; 7 — крио-
панель; 8 — ячейка Кнудсена; 9 — меха-
ническая заслонка; 10 — система для
крепления и перемещения подложек
213
малой диффузией легирующего материала даже внутри моноатомного слоя.
Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет проводить контроль химического со-
става кристаллической структуры поверхности распределения концентрации эле-
ментов по глубине непосредственно во время осаждения эпитаксиальных слоев.
Возможность применения аналитических методов контроля в процессе роста
позволяет управлять ими на атомарном уровне, получать структуры с низкой
степенью загрязнения. В табл. 5.3 приведены методы измерений, осуществляе-
мые при МЛЭ. Процесс МЛЭ используется для получения тонких (0,5...50 нм)’
структур с контролируемыми поперечными размерами для изготовления опти-
ческих микроволновых приборов на основе GaAs и AlxGai-xAs.
Таблица 5.3. Методы измерения, осуществляемые в процессе МЛЭ
Вид измерения
Методы измерения
Определение химического состава по-
верхности и профиля концентраций раз-
личных элементов
Определение кристаллической структуры
поверхности
Определение состава молекулярных пуч-
ков
Измерение температур источников и
подложки
Измерение интенсивности молекулярных
пучков
Измерение толщины эпитаксиальных
слоев
Оже-электронная спектроскопия
Рентгеноэлектронная спектроскопия
Ионная оже-спектроскопия
Масс-спектроскопия вторичных ионов
Дифракция электронов низких энер-
гий
Дифракция электронов высоких энер-
гий
Масс-спектроскопия
Контактный и бесконтактный
Оптический
Эллипсометрия
Эпитаксия с использованием сканирования луча лазера. Служит для выра-
щивания пленки монокристаллического кремния на монокристаллических крем-
ниевых и сапфировых подложках. В технологии КНС монокристаллическую
пленку кремния выращивают на сапфире методом МЛЭ, причем на границе
раздела образуется аморфная пленка с большим числом дефектов. Ее кристал-
лические свойства восстанавливают лазерным отжигом. Особенностью данного
метода является то, что пленка монокристаллического кремния может быть вы-
ращена на аморфных пленках плавленого кварца, окиси кремния, нитридов.
На рис. 5.15 представлена структура пленки окиси кремния толщиной 0,5 мкм,
выращенной на подложке из плавленого кварца. В результате лазерного отжи-
га с применением аргонового лазера получена монокристаллическая пленка
1,5X 1,5 мм, ориентированная в плоскости (100). Этот метод получил название
графоэпитаксии.
5.3. Методы, стимулирующие эпитаксию
Использование излучения при эпитаксии. Электромагнитное излучение в
эпитаксиальных процессах может применяться как для обычного термического
воздействия на реакционную систему (ИК-нагрев), так и для нетермической ак-
тивации. Инфракрасный нагрев служит для получения эпитаксиальных слоев
кремния и германия методами водородного восстановления их из тетрадихлори-
214
Рис. 5.16. Зависимость отношения
мольных долей Ge/J(M) от темпера-
туры в газовой фазе системы Ge=
==J2 = H2=He при отношениях моль-
ных долей Н2/(Н2+Не), равных 0,0
(кривая I), 0,1 (2), 0,2 (5), 0,3 (4),
0>4 (5) и 0,5(6); давление паров
йода 400 Па
Рис. 5.17. Зависимость скорости ро-
ста эпитаксиального слоя кремния
методом водородного восстановле-
ния его тетрахлорида от температу-
ры в координатах Аррениуса при
воздействии излучения (штриховая
линия) и в обычном процессе (не-
прерывная линия).
Объемная доля SiCl4 в водороде 0,6%;
реактор вертикального типа с индукци-
онным нагревом; источник излучения —
ртутная лампа высокого давления мощ-
ностью 500 Вт
да кремния, трихлорсилана, дисилангексахлорида, тетрахлорида германия, а
также эпитаксиальных слоев арсенида галлия хлоридным методом и кремния
пиролизом моносилана.
Активирующее воздействие излучения используется при получении эпи-
таксиальных слоев германия методом диспропорционирования. На рис. 5.16
представлена температурная зависимость мольного отношения Ge/J в системе
Ge=J2=H2=He. Каждая кривая на рис. 5.16 соответствует системе с посто-
янным давлением паров йода, но с различным мольным отношением Н2(Н2+Не)
в газе-носителе, используемом для переноса йода через источник германия. Па-
рогазовая смесь йодидов германия, йодистого водорода, водорода и гелия
равновесного состава с температурой около 873 К поступает в камеру осажде-
ния. Температура в камере осаждения 620 К (см. рис. 5.16). Избыток германия
в газовой фазе, соответствующий, например, кривой 1, осаждается на подлож-
ку. Ультрафиолетовое излучение длиной волны 0,2...0,4 мкм вызывает разложе-
ние йодистого водорода, и термодинамическое равновесие в реакционной
системе изменяется так, что в газовой фазе, поступающей в камеру осаждения, ко-
личество германия оказывается меньше равновесного и, следовательно, проис-
ходит газовое травление германиевой подложки. В зависимости от того, вы-
ключен или включен источник УФ-излучения, на поверхности подложки при
неизменном составе подаваемой парогазовой смеси наблюдается соответствен-
но эпитаксия германия или травление. Процесс эпитаксии можно вести попе-
ременно с травлением, что позволяет получать эпитаксиальные слои высокого
качества с числом дефектов 1О2...1О4 см~2.
Плотность потока излучения, применяемого для термического воздействия,
как правило, весьма велика и определяется необходимой температурой нагре-
ва подложки. Обычно плотность потока некогерентного излучения составляет
1000...2000 Вт/см2, а мощность источников излучения 1...20 кВт. Здесь исполь-
зуется широкий спектр излучений, в котором около 10% энергии ИК-источников
приходится на излучение в УФ-диапазоне. Плотность потока УФ-излучения при
этом составляет около 100 Вт/см2. Излучение в указанном диапазоне волн
оказывает наибольшее воздействие на реакционные системы. Если некогерент-
ное ИК-излучение нагревает непосредственно подложку, а не промежуточное
215
Таблица 5.4. Параметры технологического процесса получения эпитаксиаль
Метод эпитаксии Состав газовой фазы Объемная концентрация соединения полупровод- ника, % СО СО « - 1- к о 2 5 s н « g s о. х «( Температура процесса, К
Водородное вос- становление тет- рахлорида крем- ния Водородное вос- становление диса- лангексахлорида Пиролиз моноси- лана Водородное вос- становление тетра- хлорида германия Хлоридный метод получения слоев Пиролитический синтез из эфирата триметилгаллия и арсина SiCl4+H2 0,6 0,0083...0,025 1008 0,6 0,083 1008...1473 - — 973... 1373 — — 1023...1223 0,003 0,017 1473 — — 1173... 1543 0...32 0,017 1073...1663 0,26... 1 0,005 1193... 1543 0,1...0,9 — 1223...1543 Si3Cl4+H2 0,0025 0,025 973 0.05...0.2— 1183... 1403 6 — 623...972 SiH4+H3 - — 973 — — 293 GeCl4+AsCl2+H2 — — 723 — — 0,0083 1003... 1023 — — — 673...723
тепловоспринимающее тело (подложкодержатель), то происходит одновременно
и нетермическое активирующее воздействие на процесс роста.
При нетермической активации эпитаксиальных процессов имеются два раз-
личных подхода к выбору используемого излучения. Поскольку скорость пер-
вичных фотохимических реакций зависит от интенсивности излучения и степени
его поглощения компонентами реакционной системы, то в ряде случаев ис-
пользовалось высокоинтенсивное излучение от источников мощностью 500...
...1000 Вт и плотностью потока излучения больше 1 Вт/см2. Наиболее удобно для
этой цели когерентное излучение. Соединения, применяемые в эпитаксиальных
процессах кремния и германия, имеют пик резонансного поглощения в дальнем
ИК-диапазоне. Это создает дополнительные трудности, так как наиболее рас-
пространенные ИК-источники излучают в ближнем ИК-диапазоне.
При использовании УФ-излучения для нетермического воздействия на эпи-
таксиальные процессы происходит ориентированное нарастание при температуре
несколько ниже обычной температуры эпитаксии.
Ультрафиолетовое излучение влияет и на процесс эпитаксии кремния ме-
тодом водородного восстановления его из тетрахлорида. Скорость роста при
облучении была больше, чем без облучения (рис. 5.17), и наибольшие различия
наблюдаются в области низких температур. Так, при температуре подложки
1123...1173 К скорость роста при облучении на 25...30% превышает скорость ро-
216
ных слоев кремния, германия и арсенида галлия с использованием излучения
Температура начала эпи- таксии, К Диапазон длин волн излучения, мкм Плотность потока излучения, Вт/см2 Мощность источника излучения, Вт Структура слоя Скорость роста, нм/с
— (0,23...0,37) — 100 Отдельные кри- сталлиты 1,7...33,3
1008 УФ 10 500 Монокристалл 1,7...33,3
1273 (0,23...0,37) —- 100 То же —
УФ 10...20 500; 1000 » 5,1...16,6
ИК — — 21,7
ИК, УФ 17000 —-
1173 ИК, УФ 100 (УФ) 6000 1,7...33,3
ИК, УФ — 17000 » 1,7...17
— ИК, УФ — — 0,333... 10,2
973 (0,23...0,37) — 100 0,333
1223 ИК, УФ — 17000 1,7
— УФ — — » —
— (0,23...0,37) — 100 Поликристалл —
— (10,6) — 20 Аморфный слой —
— УФ — — Монокристалл —
— ИК — 16000 То же 1,7
673 УФ (0,3371) — 1000 —
ста в обычных условиях, а при температуре 1423... 1473 К она практически не
зависит от облучения, т. е. подвод дополнительной энергии не ускоряет осаж-
дения.
Воздействие излучения снижает пороговую температуру начала роста моно-
кристалла. При автоэпитаксии кремния методом водородного восстановления
его из тетрахлорида, воздействуя на подложку УФ-излучением, можно получить
автоэпитаксиальные слои кремния при температуре 1008 К. Без освещения по-
роговая температура составляет 1040,7±2 К, что примерно на 40 К выше, чем
при облучении.
Использование излучения снижает не только пороговую температуру эпи-
таксии, но и энергию активации процесса. Так, энергия активации процесса
эпитаксии кремния методом водородного восстановления его из тетрахлорида
с использованием УФ-излучения составляет 96 кДж/моль (рис. 5.17, штриховая
линия), а без излучения — 104,6 кДж/моль (непрерывная линия).
Параметры процессов эпитаксии, в которых для активации или нагрева
использовалось излучение, приведены в табл. 5.4. При эпитаксии с использо-
ванием излучения применяют разнообразные источники излучения. Лазеры слу-
жат для перевода реакционных компонентов в возбужденное состояние или для
локального термического воздействия. При этом они генерируют излучение в
широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного, причем
217
в каждом случае выбор длины волны, а следовательно, и типа лазера зависит
от реакционных материалов и от того, на какой объект реакционной системы
должно воздействовать лазерное излучение. Плотность потока излучения у ла-
зеров значительно больше, чем у ламп, и составляет до 105...107 Вт/см2, хотя
и у ламп она может достигать больших значений (5-Ю4 Вт/см2).
Наиболее часто источниками излучения являются ртутные лампы, основная
доля излучения которых приходится на УФ-диапазон. Максимум излучения
ртутных ламп при давлении паров ртути в лампе до нескольких атмосфер
соответствует резонансным длинам волн 0,185 и 0,2537 мкм. При более высоких
давлениях спектр излучения изменяется, резонансные линии сильно уширяются,
а интенсивность излучения на этих длинах волн уменьшается — в спектре излу-
чения образуется провал. Этот провал, например, равен нескольким наномет-
рам у резонансной линии 0,2534 мкм в лампе ДРШ-250 при давлении паров
ртути 36-10а Па. Ртутные лампы, как правило, применяются для нетермиче-
ской активации процессов, в том числе для эпитаксии.
Источники некогерентного излучения ИК-диапазона (в основном ксеноно-
вые и йодидные лампы) используются преимущественно для радиационного
нагрева при эпитаксии. Большинство этих источников имеют спектральные ха-
рактеристики с максимумом в диапазоне длин волн 0,8... 1,1 мкм. Материалом
реакционных камер или окон, через которые в реакционную зону поступает
ИК-излучение, является чаще всего кварц, интенсивно поглощающий излучение
с длиной волны более 3,5 мкм. Применение источников с максимумом излучения
в диапазоне 1,5...2,5 мкм увеличивает долю энергии, поглощаемую стенками
реакционной камеры, что приводит к нежелательному повышению их темпе-
ратуры.
Аппаратуру с использованием излучения по относительному расположению
источника излучения и реакционной камеры можно разделить на две группы:
1) источник излучения находится вне реакционной камеры (рис. 5.18, а) и
внутри нее (рис. 5.18,6}. В аппаратуре 1-й группы излучение обычно вводится
в реакционную зону через окно из материала, прозрачного для данного излу-
чения. При этом энергия излучения поглощается и рассеивается воздушным
промежутком источник — реакционная камера (EJ, через который проходит
излучение (Е2), и промежутком окно — подложка (Е3). Последний вид потерь
учитывают, если излучение воздействует на поверхностный слой газовой фазы
у подложки или только на поверхность подложки. При излучении источником
в направлении. подложки энергии Eq подложка подвергается воздействию энер-
гетического потока Е=Е0=^п=Е0—(Е^Ез+Ез). Если излучение воздействует
на газовую фазу реакционной зоны, то его энергия
Е=Eq—Еп=Eq— (Ej + Е2).
В аппаратуре 2-й группы потери энергии излучения меньше, так как в этом
случае исключаются потери на поглощение в воздушном промежутке и в окне,
и доходящая до подложки энергия излучения Е=Е0—ЕП=ЕО—Е3. Энергия из-
лучения, воздействующая на газовую фазу,
Е=Е0—ЕП=ЕО.
Рис. 5.18. Схемы устройств р расположением источника вне (а, в) и внутри
(б) реакционной камеры
М8
Таким образом, с энергетической точки зрения более выгодным является
расположение источника излучения внутри реакционной камеры. Однако нали-
чие агрессивной среды, используемой в большинстве технологических процессов,
не позволяет ввести в реактор источник излучения и оптическую систему. Ис-
точник излучения сам может стать дополнительной причиной загрязнения ре-
акционной зоны, кроме того, его необходимо защищать от осаждения непро-
зрачных пленок продуктов реакции. Следовательно, аппаратура 2-й группы мо-
жет применяться для технологических процессов с неагрессивной средой, а
также при использовании излучателей, приспособленных к воздействию агрессив-
ной атмосферы, либо специальных мер защиты источников излучения. Так, для
предотвращения появления на источнике излучения непрозрачных пленок вы-
бирают излучатель с соответствующей длиной волны излучения или в реак-
ционной камере с помощью специального охлаждения создают градиент темпе-
ратуры, препятствующий распространению продуктов реакции в направлении
к излучателю.
На рис. 5.18, а изображена установка для газофазной эпитаксии германия.
Излучение от источника 1 с помощью оптической системы направляется в ре-
акционную камеру 2 через кварцевое окно 9. Оптическая система содержит
рефлектор 4, светофильтр 6, прозрачный только для УФ-излучения, конденса-
торные 10 и фокусирующие 7 линзы, а также маску 5. Подложка 3, располо-
женная на подложно держателе 11, нагревается резистивным нагревателем 8
до температуры 723 К, что на 50 К ниже температуры восстановления четы-
реххлористого германия, подаваемого в реакционную камеру в смеси с водо-
родом и арсином. В результате воздействия УФ-излучения на засвеченных
местах подложки формируется эпитаксиальный слой германия.
Аппаратура для выращивания дендритных кристаллов кремния (рис. 5.18, 6}
относится ко 2-й группе. Источник излучения 1 с рефлектором 4 расположен
внутри реакционной камеры 2. Инфракрасное излучение, отражаясь от реф-
лекторов, попадает в основном на торцевую сторону подложки 3, имеющей по
крайней мере одну двойниковую плоскость. Торцевая сторона подложки нагре-
вается до температуры, несколько превышающей температуру диссоциации га-
зообразного соединения полупроводникового вещества, так что кремний осаж-
дается на торцевую сторону подложки. Для того чтобы поверхность роста на-
ходилась в фокусе излучения, подложка опускается со скоростью роста ден-
дритного кристалла.
Предотвращение роста кристалла на других участках подложки обеспечи-
вается с помощью сопел 13, имеющих ширину, равную ширине подложки. Че-
рез сопла поступает инертный газ, например азот, который обтекает подложку,
разбавляя реакционную смесь и предотвращая рост на ее боковых поверхно-
стях. Для предотвращения загрязнения источника излучения перед зоной роста
параллельно плоскости роста установлена трубка 12 с охладителем. Кроме то-
го, за счет охлаждения в газовой фазе возникает температурный градиент,
который способствует дендритному росту.
На рис. 5.18, в представлена схема устройства для травления и получения
пленок из газовой фазы путем разложения соединений, содержащих материал
пленки. Устройство сочетает принципы построения аппаратуры 1-й и 2-й групп.
Источник излучения 1 расположен вне реакционной камеры 2, но окна, обяза-
тельного для аппартуры 1-й группы, нет. Ультрафиолетовое излучение от источ-
ника 1 системой фокусирующих линз 7 направляется через маску 5 на подлож-
ку 3. Для воздействия на адсорбированный подложкой слой газообразного
соединения излучением с определенной длиной волны предусмотрен свето-
фильтр 6. Реакционная камера 2 имеет трубчатый отросток 14 с соосно рас-
положенными входным 15 и выходным 16 патрубками, через которые продувают
инертный газ, например гелий или аргон. Это необходимо для создания газо-
вого барьера, препятствующего попаданию атмосферы в камеру, а также вы-
ходу реакционных газов в атмосферу. Для поддержания подложки при не-
обходимой температуре реакции в непосредственной близости от нее располо-
жен нагреватель 8 и охлаждающая трубка 12. В данном устройстве источник
излучения с оптической системой защищен от осаждающихся продуктов реак-
ции, а подложка с газовой фазой —от проникновения атмосферных газов. Как
и в аппаратуре 1-й группы, обеспечивается легкий доступ к источнику излуче-
219
Рис. 5.19. Схемы устройств с использованием излучения для стимуляции тех-
нологических процессов:
/ — источник излучения; 2 — реакционная камера; 3 — подложка; 4 — рефлектор; 5 — фо-
тошаблон; 6 — фокусирующая система; 7 — подложкодержатель; 8 — нагреватель; 9 — окно;
10 — лодочка; // — индуктор; 12 — зеркало; 13 — термопара; 14 — сетка; /5 — патрубок;
16 — нагреватель окна; 17 — водяное охлаждение; 18— маска; 19 — маскодержатель; 20,
21 — металлические фланцы; 22 — светофильтр; 23 — кварцевая труба
ния и оптической системе, что упрощает управление процессом. Кроме того,
здесь отсутствуют ограничения на применяемые длины волн.
Излучение в технологических процессах используется для нетермического
воздействия на реакционную систему (рис. 5.19) и для ИК-нагрева (рис. 5.20).
Особенностью этих устройств является то, что излучение от источника 1
попадает в реакционную камеру 2 через торцевое кварцевое окно 9 благодаря
тому, что ВЧ-индуктор 11 (рис. 5.19, а) и печь сопротивления 8 (рис. 5.19,6),
расположенные вокруг реакционной камеры, закрывают доступ к подложке 3
по кратчайшему пути — через боковую стенку реакционной камеры. Это зна-
220
Рис. 5.20. Схемы устройств с ИК-нагревом рабочей зоны:
/ — источник излучения; 2 — реакционная камера; 3— подложка; 4 — рефлектор; 5 —
подложкодержатель; 6 — окно; 7—водяное охлаждение; 8 — графитовый блок; 9 — тепло-
изолирующая прокладка; 10 — лодочка; // — термопара; /2 — осаждаемый слой; 13—
дюза; 14 — кожух; 15 — источник; 16 — нагреватель; 17 — зажим; 18 — торцевой отража-
тель; 19 — полусферическая выемка; 20 — световод
221
чительно увеличивает расстояние от источника излучения до подложки, что,
в свою очередь, повышает потери излучения на поглощение в воздухе. В уст-
ройстве для получения эпитаксиальных слоев германия (рис. 5.19, в), как и в
устройстве, изображенном на рис. 5.19,6, нагрев подложки 3 осуществляется
печью сопротивления, состоящей из кварцевой трубы 23 и нагревателя 8. Для
того чтобы излучение от источника 1 поступало в реакционную камеру, в стен-
ке трубы 23 предусмотрено дополнительное кварцевое окно 9. В этом случае
также не удается избежать увеличения потерь излучения (за счет второго окна
и увеличения длины оптического пути), хотя, возможно, они и меньше, чем в
предыдущих схемах (см. рис. 5.19, а, б).
Использование излучения для активации технологических процессов огра-
ничивает применимость индукционного нагрева или нагрева в печи сопротив-
ления. Предпочтительным является резистивный нагрев, когда подложка нагре-
вается от контакта с подложкодержателем, через который проходит электри-
ческий ток.
На рис. 5.19,з изображено устройство с герметичным закреплением под-
ложки 3 таким образом, что одна сторона ее соприкасается с газовой фазой
реакционной камеры, а другая — с атмосферой, т. е. подложка одновременно
является окном. Внутренняя сторона подложки нагревается до температуры, со-
ставляющей 0,3...0,7 от температуры плавления ее материала. Затем излуче-
нием лазера 1 воздействуют на слой газовой фазы у поверхности подложки,
причем длину волны излучения выбирают такой, для которой материал подлож-
ки прозрачен, но которая является резонансной для соединения осаждаемого
вещества. Данный способ применим, когда длина волны резонансного поглоще-
ния соединения полупроводника совпадает с диапазоном прозрачности мате-
риала подложки. Преимуществом устройства является отсутствие необходимо-
сти защищать окно от пленок продуктов реакции.
На рис. 5.19, д представлены схемы реакционных камер с устройствами для
защиты окон. В реакционной камере 2 для защиты окна 9 через патрубок 15
параллельно потоку парогазовой смеси подается струя газа, аналогичная по
составу газу-носителю используемой парогазовой смеси. Между окном и реак-
ционной зоной создается газовый барьер, толщина которого регулируется рас-
ходом газа через патрубок 15. Этот метод наиболее универсален и может ис-
пользоваться во всех процессах, где есть вероятность загрязнения окна. На-
дежность метода велика, окно остается прозрачным длительное время, а ус-
ложнение реакционной камеры и газовой системы незначительно.
На рис. 5.19, е показано устройство для получения полупроводниковых струк-
тур с защитой окна-световода 9 за счет поддержания последнего при опреде-
ленной температуре. Для этой цели предусмотрены нагреватель 16 и охлаж-
дающий элемент 17. Если пленка образуется на нагретых поверхностях, вклю-
чается охлаждающий элемент (полая спираль, по которой циркулирует вода).
При росте пленки на холодных поверхностях используется нагреватель. Устрой-
ство позволяет осуществлять вакуумное напыление материала из лодочки 10
через маску 18 на подложки 3, закрепленные в поворотном подложкодержате-
ле 7, а после перевода подложкодержателя в другое положение воздействием
излучения от источника 1 может быть проведено газовое травление подложек
или нанесение диэлектрических либо металлических пленок. Характер операций
зависит от того, какие газообразные соединения подаются в реакционную ка-
меру 2.
Во всех рассмотренных выше устройствах формирование слоев по требуе-
мой топологии на подложке осуществляется с использованием масок. Устрой-
ство, показанное на рис. 5.19, ж, позволяет получать необходимую топологию
без масок. Здесь излучение от лазера /, пройдя через фокусирующую систе-
му 6 и кварцевое окно 9, попадает в реакционную камеру 2 на подложку 3.
Подложкодержатель 7 имеет возможность перемещаться по координатам х
и у в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. В зависимости от состава
газовой фазы в реакционной камере 2 происходит травление подложки или
осаждение металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленок. Со-
став газовой фазы зависит, в частности, от испаряемого из лодочки вещества.
Поскольку травление или осаждение происходит только в зоне воздействия лй-
зерного луча, то характер перемещения подложки должен совпадать с задан-
ной топологией.
Устройство, изображенное на рис. 5.19, з, предназначено для осаждения
диэлектрических пленок фотополимеризацией газообразного соединенйя на по-
верхности подложки. Реакционная камера 2 устройства состоит из кварцевой
оболочки, прозрачной для излучения источника 1, которая снабжена двумя ме-
таллическими фланцами 20 и 21, что облегчает эксплуатацию устройства. Под-
ложки 3 располагаются на охлаждаемом подложкодержателе 7. Фланец 20
имеет металлокерамическое уплотнение с кварцевой частью реакционной ка-
меры.
На рис. 5.20 представлены схемы устройств, в которых излучение исполь-
зуется для ИК-нагрева подложек. От рассмотренных на рис. 5.19 устройств они
отличаются обязательным наличием рефлекторов, фокусирующих излучение в
рабочей зоне, и отсутствием других элементов оптической системы. Кроме то-
го, источниками излучения здесь являются только лампы, излучающие боль-
шую часть мощности в ИК-диапазоне, в то время как в аппаратуре для не-
термической активации источниками излучения являются лазеры или лампы,
излучающие в основном в УФ-диапазоне. Еще одно отличие заключается в том,
что число источников УФ-излучения обычно не превышает одного-двух, а в
аппаратуре с ИК-нагревом оно может достигать нескольких десятков.
Радиационный нагрев обладает рядом преимуществ по сравнению с тради-
ционными способами нагрева в печах сопротивления и токами высокой частоты.
При осаждении из газовой фазы желательно, чтобы процесс происходил в ка-
мере с более холодными, чем реакционная зона, стенками. Это предотвращает
зарастание стенок и обеспечивает чистоту получаемых пленок, так как одним
из источников примеси является нагретая оболочка реакционной камеры.
На рис. 5.20, а представлена схема устройства для получения эпитакси-
альных слоев типа «сэндвич» сульфида кадмия на большой площади. Реакцион-
ная камера 2 состоит из соединенных конусным шлифом внутренней и внешней
кварцевых оболочек, которые прозрачны для сфокусированного рефлекторами 4
ИК-излучения. На выступах внутренней оболочки реакционной камеры смонти-
рованы графитовые тепловоспринимающие блоки 8, на которых фокусируется
излучение от источников 1. Подложка 3 контактирует с верхним блоком и от-
делена от источника 15, установленного на нижнем блоке 8, теплоизолирующи-
ми прокладками Р. Расположение подложки над источником предотвращает воз-
можное загрязнение поверхности подложки частицами из источника. Термопа-
ры 11 управляют работой излучателей таким образом, что температура источ-
ника несколько превышает температуру подложки.
В устройстве, изображенном на рис. 5.20, б, ИК-нагрев применен совмест-
но с резистивным. Кварцевую подложку 3 устанавливают на подложкодержа-
теле 5, нагреваемом за счет прямого прохождения тока. От подложкодержа-
теля подложки нагреваются до температуры несколько ниже точки плавления
осаждаемого полупроводникового материала. Источник ИК-излучения 1 с помо-
щью рефлектора 4 нагревает подложку в узкой зоне до температуры выше точки
плавления осаждаемого полупроводникового материала. В эту зону из щелеоб-
разной дюзы 13, имеющей ту же ширину, что и подложка, подается реакционная
газовая смесь, из которой на подложку осаждается полупроводниковый материал,
сразу переходящий в жидкую фазу. Дюза 13 окружена кожухом 14, через кото-
рый подается инертный газ, защищающий расплавленный материал. Передвиже-
ние дюзы, источника излучения и рефлектора вдоль подложки позволяет форми-
ровать на подложке гетероэпитаксиальный слой 12. Так как подложкодержатель 5
остается нагретым, то при охлаждении осажденного слоя поддерживается тем-
пературный градиент, который обеспечивает первоначальную кристаллизацию
верхней приповерхностной области слоя, что улучшает качество гетероэпитак-
сиальных слоев.
Кроме параболических рефлекторов в устройствах с ИК-нагревом приме-
няются эллипсоидальные рефлекторы (рис. 5.20, в, а). В этом случае источник
излучения 1 располагают в одном из фокусов рефлектора 4, а подложку 3 —
в другом. В устройстве, показанном на рис. 5.20, в, внутри рефлектора установ-
лена реакционная камера 2 с графитовым подложкодержателем 5. Особенно-
стью аналогичного устройства (рис. 5.20, а) является то, что реакционной каме-
923
рой 2 является нижняя половина эллипсоидального отражателя, отделенная от
верхней его части окном (кварцевой пластиной) 6. Эта пластина защищает ис-
точник излучения, расположенный в верхнем фокусе отражателя, от осаждения
пленок, например, при получении эпитаксиальных слоев кремния пиролизом мо-
носилана. Расположение кварцевой перегородки эквидистантно между фокуса-
ми рефлектора соответствует минимуму концентрации лучистой энергии и от-
сутствию осаждения на ней кремния. Другой особенностью этого устройства
является расположение подложки 3 относительно подложкодержателя 5 на
газовой подушке, что значительно уменьшает тепловую энергию при нагреве
подложки. Для получения более равномерного нагрева подложкодержатель
сдвигают вверх или вниз относительно нижнего фокуса рефлектора, т. е. на-
гревают подложку расфокусированным излучением. Повышению равномерности
нагрева подложки способствует и то, что наибольшая интенсивность излучения
приходится на центр подложки, а инертный газ, продуваемый через подлож-
кодержатель и устраняющий его контакт с подложкой, обеспечивает наиболь-
ший отвод тепла также от центра подложки. Это приводит к уменьшению ра-
диальных и азимутальных градиентов температуры по поверхности подложки.
На рис. 5.20, д изображено устройство для осаждения поликристаллических
пленок нитрида алюминия в вакууме. Источник излучения 1 и рефлектор 4
обеспечивают поверхностную плотность потока излучения до 200 Вт/см2. В этом
устройстве наряду с ИК-нагревом подложки 3 применяется и нагрев от печи
сопротивления 16 части кварцевой реакционной камеры 2 с лодочкой 10, содер-
жащей испаряемое вещество.
На рис. 5.20, е представлена схема печи с ИК-нагревом для выращивания
кристаллов. Поперечное сечение рефлектора 4 выполнено в виде двух эллипсов
с одним общим фокусом, а в двух других расположены лампы. Вся печь имеет
форму тела вращения. Две трубчатые лампы 1 изогнуты в виде полуколец и
установлены так, что образуют замкнутую окружность, совпадающую с окруж-
ностью, на которой находятся внешние фокусы. При такой компоновке в не-
большом объеме в центре печи концентрируется большое количество энергии.
Торцы ламп подсоединяются к зажимам 17, которые экранируют их от излу-
чения.
На рис. 5.20, ж изображена схема наиболее распространенной конструкции
диффузионной печи с ИК-нагревом, осуществляемым источниками излучения 1
в виде трубчатых ламп, обычно имеющих максимум излучения на длине волны
1 мкм. Эти лампы расположены вокруг кварцевой реакционной камеры 2. Чис-
ло ламп и их мощность зависят от требуемых характеристик печи. Лампы ок-
ружены общим цилиндрическим рефлектором 4, который охлаждается водой.
Стенки торцевого отражателя 18 также имеют отражающее покрытие, которое
уменьшает перегрев токовводов ламп и одновременно увеличивает длину изо-
термической рабочей зоны. При использовании ламп повышенной мощности
предусматривают также водяное охлаждение торцев печи. Цилиндрические от-
ражатели обеспечивают высокую плотность энергии в рабочем объеме, доста-
точную для нагрева подложек до температуры 1523...1673 К.
Особенностью реактора для получения эпитаксиальных слоев диэлектриче-
ских пленок (рис. 5.20, з) является расположение источников излучения / внут-
ри цилиндрического рефлектора 4 в его полусферических выемках 19, являю-
щихся дополнительными отражателями. В качестве источников излучения при-
менены расположенные вертикальными параллельными рядами лампы, излу-
чающие в ближнем ИК-диапазоне. Подложки 3 располагаются ярусами на
вращающемся подложкодержателе 5, имеющем форму пирамиды.
На рис. 5.20, и показана схема устройства для получения эпитаксиальных
слоев кремния из газовой фазы с использованием ИК-нагрева подложек. Осо-
бенностью этого устройства является применение плоских рефлекторов 4, кото-
рые образуют замкнутый объем. В полусферических выемках 19, являющихся
дополнительными отражателями, размещены источники излучения 1, излучаю-
щие, как и в предыдущем устройстве (рис. 5.20, з), в ближнем ИК-диапазоне.
Подложки 3 располагаются на непрозрачном для ИК-излучения подложкодер-
жателе 5 внутри кварцевой реакционной камеры.
Особенностью устройства, изображенного на рис. 5.20, к, является нагрев
подложки 3 потоком излучения, сконцентрированным с помощью световода.
224
Излучение источника длиной волны 0,45...1,5 мкм примерно соответствует диа-
пазону поглощения подложки. От источника 1 излучение по световоду 20 кон-
центрированным пучком доходит до подложки, нагревая ее с обратной стороны
до необходимой температуры. Световод, изготавливаемый из кварца или сап-
фира, для большей равномерности нагрева подложки вращается относительно
продольной оси. Форма световода может быть цилиндрической или конусной;
последняя обеспечивает большую концентрацию излучения и может использо-
ваться для локального нагрева подложек.
Влияние электрического поля на скорость роста эпитаксиальных слоев.
Воздействие внешнего электрического поля на эпитаксиальный процесс, как
правило, сопровождается значительными изменениями скорости роста, которая
зависит как от напряженности поля, так и от полярности приложенного к под-
ложке напряжения. Так, при эпитаксии германия, легированного галлием, в
электрическом поле скорость роста в поле увеличивается примерно на 20%,
когда к подложке прикладывают отрицательное напряжение.
Электрическое поле требуемой напряженности в реакционной зоне можно
создать двумя способами; разместить реактор между электродами или раз-
местить электроды в реакторе.
Первый способ проще, так как отпадает необходимость в герметичных вы-
соковольтных токовводах. Электроды в этом случае могут изготавливаться
практически из любого электропроводного материала, так как они не подвер-
гаются воздействию высоких температур и агрессивной среды. Однако внешнее
расположение электродов имеет и существенные недостатки: вследствие боль-
шого расстояния между электродами для создания требуемой напряженности
поля необходимы весьма высокие напряжения на электродах. Применение внеш-
них электродов возможно только в том случае, когда реакционная камера из-
готовлена из диэлектрического материала (например, кварца), поскольку метал-
лическая оболочка экранирует электрическое поле. Однако наличие в межэлект-
родном промежутке кварцевой оболочки, на внешней и внутренней поверхности
которой могут образовываться заряды, уменьшает и искажает электрическое по-
ле в реакционной зоне.
При эпитаксии германия методом диспропорционирования дийодида гер-
мания в электрическом поле (рис. 5.21, а) используется реактор 1 в виде квар-
цевой запаянной трубки с молибденовыми электродами 2, которые закрепляют-
ся на вплавленных в кварц молибденовых вводах 15.
Эпитаксию кремния в электрическом поле проводят и в системах открытой
трубы (7 и 8— вход и выход системы). На рис. 5.21,6 представлена схема
с реактором /, который имеет пьедестал 5, выполненный из высокоомното
(300 Ом-см) кремния гс-типа проводимости, с диаметром 30 и высотой 40 мм.
В другом реакторе (рис. 5.21, в) пьедестал отсутствует и подложка 3 уста-
навливается на площадку в нижней части реактора. В обоих случаях необхо-
димую для реакции тепловую энергию обеспечивает графитовый блок 6, кото-
рый нагревается токами высокой частоты от катушки генератора 4. Для со-
здания в реакционной зоне постоянного электрического поля над подложкой
на расстоянии 15...25 мм устанавливается танталовый электрод 2 в виде диска
с радиальными прорезями. Электрод противоположной полярности, который
представляет собой танталовую полоску 9, размещается в нижней части реак-
тора и присоединяется к пьедесталу или непосредственно к подложке.
Устройство, схема которого представлена на рис. 5.21, г, предназначено для
получения автоэпитаксиальных слоев кремния в хлоридном процессе одновре-
менно на нескольких подложках 3, которые устанавливаются вертикально на
резистивном графитовом нагревателе 12. К этому нагревателю помимо напря-
жения накала присоединен один из полюсов источника высоковольтного на-
пряжения. Электродом противоположной полярности является графитовый эк-
ран 11, который образует с резистивным нагревателем реакционные зоны, под-
вергаемые воздействию электрического поля.
В установке, показанной на рис. 5.21, д, для эпитаксиального наращивания
структур типа «сэндвич» в качестве электродов используются источник и под-
ложка. Точность установки зазора между источником и подложкой составляет
±5 мкм. В процессе эксперимента можно менять зазор, а также вращать ис-
точник и подложку. Процесс осуществляется в кварцевом реакторе 1 с соосно
15 Заказ № 1270
225
7
Vt мкм/мин
о\__I__I--1-1--»--1-----
0.60 QJO OJO0.90 UMlK
установленными кварцевыми держате-
лями 13. на которых закреплены графи-
товые блоки 6 с подложкой 3 и источни-
ком 10. Печь сопротивления 14 с неза-
висимым электропитанием верхней и
нижней секций нагревает блоки 6. что
обеспечивает заданную температуру под-
ложки и источника. Для проведения
процесса в электрическом поле напря-
жение к подложке и источнику подают
через специальные токовводы 15. Герме-
тичное уплотнение между вращающи-
Рис. 5.22. Температурные зависимости
скорости роста автоэпитаксиальных сло-
ев кремния при отсутствии напряжения
на подложке (/) и при напряжении
2 кВ (2)
226
мися держателями 13 и неподвижным реактором 1 обеспечивается с помощью
слоя жидкого галлия.
Для совместного воздействия УФ-излучения и внешнего поля на процесс
эпитаксии арсенида галлия из смеси эфирата триметилгаллия и арсина создана
установка, показанная на рис. 5.21, е. Реактор 1 изготовлен из синтетического
кварца с окном из кварца марки КУ-1, пропускающего УФ-излучение от ис-
точника 16. Прямоканальный нагреватель — подложно держатель 12 из стекло-
углерода служит одновременно нижним электродом. Вторым электродом 2 яв-
ляется молибденовая сетка с прозрачностью не менее 80%. что позволяет осу-
ществлять комплексное воздействие на зону роста излучения и электрического
поля с малыми потерями потока излучения и при сохранении однородности
электрического поля.
Температурные зависимости скорости роста эпитаксиальных слоев кремния
в электрическом поле и в отсутствие его представлены на рис. 5.22.
5.4. Легирование в процессе эпитаксии
Легирование в процессе эпитаксии можно проводить из примесей, раство-
ренных в кристалле, из паров, находящихся в элементарной форме, из газов
и паров, содержащих примесные элементы.
Первый способ позволяет изменять тип и концентрацию примеси в широ-
ком диапазоне. При использовании летучих примесей — фосфора, мышьяка,
сурьмы — их атомы не могут быть перенесены из источника до тех пор, пока
не испарятся окружающие их атомы полупроводника. Таким образом можно
регулировать концентрацию примеси.
Введение примесей в состав газообразных веществ производят с исполь-
зованием фосфина РН3, арсина AsH3, диборана В2Н6 и некоторых других газов,
добавляемых в водород или инертные газы в концентрациях 5-10~4...1%.
В методе открытой трубы применяют легирование из паров трехбромистого
бора ВВг3, треххлористого фосфора РС13 или оксихлорида фосфора РОС13, до-
бавляемых в сосуд с SiCl4, либо испаряемых из отдельных резервуаров. При
росте пленки происходит перераспределение атомов примеси из подложки в
пленку. Процесс легирования пленки за счет диффузии атомов примеси из под-
ложки называют автолегированием. Существует макроавтолегирование, при ко-
Рис. 5.23. Распределение концентрации примеси в эпитаксиальном слое при
создании п—л+=(а) и р—л-переходов (б)
15*
227
тором нежелательные легирующие атомы перемещаются внутри реактора от
одной пластины к другой, и микроавтолегирование, при котором посторонние
примесные атомы внедряются в локальные области эпитаксиального слоя той
же самой пластины. Распределение концентрации примеси на границе пленка —
подложка
Сх=Соехр(—Xj/A) ±Се[1—ехр(—Xi/L)],
где Сх — концентрация примеси в пленке на глубине %г, Со — концентрация
примеси на границе пленки с подложкой; Св — равновесная установившаяся
концентрация примеси в эпитаксиальном слое; L — параметр наклона функции
распределения, зависящий от коэффициента и времени диффузии.
Первый член равенства характеризует легирование пленки примесью под- ,
ложки, второй — легирование газовой фазы. Результирующая концентрация оп-
ределяется суммой обоих членов, если пленка и подложка одного типа элект-
ропроводности, и разностью, если разного. Соответствующие кривые распределе-
ния примесей показаны на рис. 5.23.
Положение р — n-перехода х в эпитаксиальном слое можно вычислить, ло-
гарифмируя приведенное выражение с учетом условия Сх=0 при x=Xj‘.Xj —
= ь]п (Со/Се+1).
5.5. Контроль параметров эпитаксиальных слоев
Определение толщины. Для определения толщины эпитаксиальных пленок
одним из наиболее точных является метод интерференции ИК-лучей. Отражение
ИК-лучей в диапазоне длин волн 10...35 мкм происходит не только от поверх-
ности пленки, но и от границы раздела пленка — подложка вследствие раз-
личия показателей преломления света пленки и подложки. С уменьшением кон-
центрации примеси в подложке растет пропускание ею лучей и уменьшается
отражение их на границе. Разность хода лучей 6, отраженных от пленки и
подложки, определяется толщиной пленки Д, ее показателем преломления све-
та п и углом преломления света <р: 6=2«Acos(p. Измеряя разность хода лу-
чей, определяют толщину пленки. Толщину эпитаксиального слоя можно так-
же найти при наблюдении за дефектами упаковки.
Выявление дефектов. Эпитаксиальные слои содержат в основном дефекты
двух типов — дислокации и упаковки.
Причиной появления дислокаций может быть подложка (дислокации кото-
рой «наследуются» растущей эпитаксиальной пленкой), а также сам процесс
эпитаксии. Дислокации могут вноситься и во время подготовки подложки (ме-
ханическая обработка, окисление, диффузия, сопровождающие процесс получе-
ния эпитаксиальных структур со скрытыми слоями), и во время процесса эпи-
таксии. Повышенная концентрация дислокаций нередко сопровождается обра-
зованием линий скольжения, на которых сосредоточено около 98% дислокаций.
Основной причиной генерации дислокаций являются напряжения, возникающие
в кремнии во время механической обработки, а при термообработках—вслед-
ствие градиентов температур по площади пластины. Во время изготовления
структур со скрытыми слоями источником напряжения могут быть несоответ-
ствия в атомных радиусах кремния и легирующих примесей. Одним из спосо-
бов уменьшения концентрации дислокаций несоответствия в структурах со скры-
тыми слоями может служить введение электрически нейтральной «компенсирую-
щей» примеси.
Для уменьшения напряжения во время термообработок используют два
способа:
а) «мягкие режимы» термообработки в диффузионных печах. Применяются
для того, чтобы уменьшить радиальные градиенты температуры по пластине,
возникающие при нагреве пластин до рабочей температуры и охлаждении их
после завершения термической операции. Так как пластины устанавливаются
в лодочке вертикально, на небольшом расстоянии одна от другой и экранируют
тепловое излучение, то края пластин быстрее нагреваются при повышении тем-
пературы и быстрее охлаждаются при извлечении лодочки из рабочей зоны,
228
Рис. 5.24. Зависимость Клс от тем-
пературы эпитаксии (диаметр пла-
стин 76 мм) при ВЧ-нагреве (/) и
ИК-нагреве (2)
Рис. 5.25. Зависимость Клс от диа-
метра пластин при разных темпера-
турах эпитаксии
что приводит к возникновению радиального градиента температуры. Для умень-
шения этого эффекта предлагается медленный нагрев и охлаждение;
б) специальную закрытую конструкцию лодочки и экранирование холодной
зоны печи фольгой. Это в значительной степени уменьшает радиальный гради-
ент температур при нагреве и охлаждении пластин.
На рис. 5.24 показана зависимость коэффициента заполнения пластины ли-
ниями скольжения Клс от температуры эпитаксии при разных методах нагрева
(ВЧ- и ИК-нагрев), на рис. 5.25 — зависимость Клс от диаметра пластин при тем-
пературах 1273 К (/) и 1473 К (2).
Основные причины появления эпитаксиальных дефектов упаковки:
примеси металлов, органические загрязнения, остатки растворителей на по-
верхности подложки, т. е. неудовлетворительная очистка поверхности пластин
перед эпитаксией;
механические повреждения поверхности (нарушенный слой, царапины, ско-
лы); линии скольжения, скопления дислокаций и т. д.;
остатки окисной пленки, всегда присутствующей на поверхности кремния
после пребывания подложек на воздухе и полностью не удаляемой во время
предварительного нагрева подложек в атмосфере водорода перед началом осаж-
дения эпитаксиальной пленки (недостаточная длительность прогрева, низкая
температура, следы влаги или кислорода в реакторе — все это препятствует пол-
ному удалению окисной пленки);
наличие загрязнений в атмосфере реактора перед началом и во время осаж-
дения пленки (углеводороды, примесь кислорода и влаги). Особенно заметно
Рис. 5.26. Зависимость концентрации эпитаксиальных дефектов упаковки от
режимов эпитаксии в увлажненном (а) и очищенном (б) водороде (С-концент-
рация)
229
это влияние при уменьшении температуры эпитаксии. Рисунок 5.26 иллюстри-
рует влияние условий осаждения на концентрацию дефектов упаковки для хло-
ридного процесса в присутствии влаги (точка росы 333 К, рис. 5.26, а} и при
использовании водорода, очищенного на установке палладиевой очистки
(рис. 5.26, б). Концентрация ЭДУ увеличивается при уменьшении температуры,
повышении концентрации SiCl4, наличии влаги в атмосфере реактора.
Характерная особенность бездислокационного кремния — скопления (класте-
ры) точечных дефектов вокруг включений SiO2 или SiC: атомы примесей, меж-
узельные атомы кремния, вакансии. Эти кластеры возникают уже на этапе
выращивания монокристаллов и могут быть выявлены травителем Сиртла. Раз-
личают две разновидности — крупные (1...3 мкм) A-кластеры и мелкие (0,05...
...0,08 мкм) В-кластеры. Первые после травления имеют вид бугорков, вторые —
вид ямок. Радиальная неоднородность распределения этих микродефектов по-
казана на рис. 5.27. При наличии дислокаций, которые являются эффективным
стоком для точечных дефектов, концентрация кластеров уменьшается.
Дефекты упаковки встречаются в форме равносторонних треугольников и
прямых линий, иногда образуются более сложные формы: комбинации тре-
угольников и линий. В конце каждой линии присутствует линия дислокации.
Рисунок 5.28 иллюстрирует образование трехмерных геометрических дефек-
тов. Образование дефекта происходит в точке А, расположенной на подложке
или вблизи нее, и развивается вдоль трех наклонных плоскостей. На поверхно-
сти пленки появляется треугольник, а на поперечном срезе — V-образная фигу-
ра. Линейный дефект также начинается в точке У, но развивается только вдоль
одной из трех плоскостей. Более сложные формы образуются в процессе взаи-
модействия нескольких дефектов. Зарождаются дефекты упаковки преимуще-
ственно на границе пленка — подложка и образуют правильные тетраэдры с вы-
сотой, равной толщине пленки: A=0,816L, где L — длина стороны равносторон-
него треугольника (рис. 5.28).
Выявление дефектов упаковки в кремнии производят в травителях: 40 см3
HF, 20 см3 HNO3, 40 см3 Н2О, 20 г AgNO3, 30 см3 HNO3, 120 см3 СН3СООН,
10 см3 HF. Травление ведется 5...20 с.
Измерение удельного сопротивления. Если пленка образует на границе с под-
ложкой р — n-переход, то изменение удельного сопротивления производится че-
тырехзондовым методом или его упрощенной модификацией — двухзондовым
методом. Для контроля структур п — п+- и р — р+-типа применяют трехзондо-
вый метод. Среди других методов контроля эпитаксиальных слоев наиболее
широко используют измерение электрофизических параметров эпитаксиальных
пленок.
Распределение концентрации примеси. В эпитаксиальной пленке с противо-
положным подложке типом проводимости определение распределения концент-
рации примеси проводят последовательным удалением тонких слоев и измере-
нием проводимости четырехзондовым методом. Для пленок одного типа про-
Расстояние от кроя, мм
Рис. 5.27. Распределение А- и В-кла-
стеров по диаметру пластины
Рис. 5.28. Дефекты упаковки: DE —
линейные; АВС — треугольные; N —
зародышевая точка образования де-
фектов
230
водимости с подложкой на разной глу-
бине создают р — я-переходы, к которым
прикладывают небольшое обратное сме-
щение и с помощью мостовой схемы
измеряют емкость. Затем эталонную ем-
кость моста изменяют примерно на 1%
и, изменяя смещение, добиваются балан-
са моста Это позволяет определить на-
клон вольт-фарадной характеристики
dC/dU~С/U при данных С и U. На ос-
новании формулы Шотки находят кон-
центрацию примеси в пленке (ЛГ) и ши-
рину области объемного заряда (ш):
ы С3 ( 1 \
/V = --- — ------- I, --,
ее \ dC/dU) Сд
где е — абсолютная диэлектрическая про-
ницаемость; е —заряд электрона; Сд —
удельная емкость перехода.
На рис. 5.29 приведена номограм-
ма для кремния, построенная на осно-
вании приведенных выражений По из-
вестным Сд, dC/dU определяют кон-
центрацию примеси и ширину области
w для контроля возможной погреш-
ности. Для контроля профилей мно-
гослойных эпитаксиальных структур при-
меняют электрохимические методы.
Рис. 5.29. Номограмма для опреде-
ления концентрации примеси на ос-
новании вольт-фарадной характери-
стики р—л-перехода
Глава 6
Ионная имплантация
6.1. Физические основы ионной имплантации
Ионная имплантация — процесс внедрения в твердотельную подложку иони-
зированных атомов с энергией достаточной для проникновения их в припо-
верхностные области подложки (от кило- до мегаэлектронвольт).
Наиболее общим применением ионной имплантации является процесс ион-
ного легирования материалов, так как технология ионной имплантации позво-
ляет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси. Ион-
ная имплантация характеризуется универсальностью и гибкостью процесса, что
позволяет получать необходимые концентрации примеси в случаях, когда дру-
гие методы неприемлемы (легирование бором и фосфором в алмазах). Маски
при данном методе легирования могут быть изготовлены из фоторезистов, окис-
лов, нитридов, поликристаллического кремния и др. Процесс ионной импланта-
ции может осуществляться при низких температурах (вплоть до комнатных),
благодаря чему сохраняются исходные электрофизические свойства кристаллов.
При ионной имплантации возникает обилие радиационных дефектов в об-
лученном материале вплоть до образования аморфного слоя. Такие дефекты
устраняют почти полностью путем кратковременного отжига (в кремнии при
900...1100 К).
На рис. 6.1 показана схема устройства для ионной имплантации. Имплан-
тируемые ионы получаются путем ионизации соответствующего пара или газа
и экстрагируются из источника потенциалом 10 кВ. Пучок ионов формируется
а помощью системы, электростатических линз. Для его совмещения о щелью
магнита используются отклоняющие пластины (3, 4, 6). Увеличение энергии
231
to
„ J *
1 'A T-
Пх ____ 12 13 74
Рис. 6.1. Схема устройства для ионной им-
плантации с магнитной сепарацией пучка
ионов:
1 — источник ионов; 2 — электростатические лин-
зы; 3 — вертикально отклоняющие пластины;
4, 6 — горизонтально отклоняющие пластины;
5 — выходная щель камеры; 7 — камера; 8 —
имплантируемые мишени; 9 — печь для подо-
грева имплантируемых мишеней; 10 — легирую-
щий материал (газ); // — нить накала; 12 —
диафрагма; 13, 16 — трехэлектродные линзы;
14 — управляющая пластина; 15 — полюсы маг-
нитного сепаратора; 17 — источник питания
до значений, превышающих 10~15 Дж, осуществляется ускорением ионов путем
подачи высокого напряжения на ускоряющие электроды и мишень (пласти-
ны). Геометрия системы позволяет получать пучок сечением 4...5 см2 Расходи-
мость пучка составляет ±2°, плотность тока — ОД..10 мкА/см2. Давление в си-
стеме поддерживается на уровне 10~3 Па в камере источника ионов и 10~5 Па
в камере имплантируемой мишени.
В технологии МЭУ при имплантации используются три вида материалов:
аморфные, поли- и монокристаллические. Аморфные и поликристаллические
материалы служат в качестве масок при имплантации ионов. В монокристалли-
ческих материалах (полупроводниковых) создаются структуры с заданным про-
филем концентрации примесей.
При внедрении в мишень быстрые ионы в результате столкновений с атом-
ными ядрами и электронами теряют свою энергию и останавливаются. Длина
пути ионов от поверхности мишени (точка 0) до точки внедрения называется
длиной пробега R, а ее проекция на направление первоначального движения —
Рис. 6.2. Длина пробега внедренных ионов (R — полная длина пробега; Rp —
проекция полной длины пробега)
232
проекцией пробега Rp (рис 6 2), ко-
торая является экспериментально
определяемой величиной.
Распределение пробега ионов в
атмосферном теле зависит главным
образом от их энергии и атомной
массы, а также вещества мишени.
Для монокристаллических мишеней
на распределение пробега влияет ори-
ентация их граней относительно пуч-
ка ионов и наличие эффекта кана-
лирования — движение ионов по ка-
налам, образованным атомными плос-
костями.
Рис. 6.3. Теоретические кривые для
ядерного (/) и электронного (2) тор-
можений (р и 8 - безразмерный пробег
и энергия соответственно)
При движении ионов в твердом
теле внедряемые в подложку ионы
меняют направление своего движения из-за столкновений с атомами мишени, ко-
торые могут покидать свои первоначальные положения в узлах кристаллической
решетки. В результате вдоль траектории внедренных ионов образуются многочис-
ленные вакансии и междоузельные атомы. Возникают целые области, в которых
нарушена кристаллическая решетка, вплоть до перехода монокристалла в аморф-
ное состояние. При этом обычно оценивают два вида потерь энергии ионами —
в результате взаимодействия их с электронами (как связанными, так и сво-
бодными) и ядрами. В первом приближении считается, что оба вида потерь
не зависят друг от друга и действуют одновременно. Характерные теоретиче-
ские кривые ядерного и электронного торможений изображены на рис. 6.3.
Ядерное торможение более существенно при малых энергиях, электронное тор-
можение преобладает при высоких энергиях ионов. С увеличением массы внед-
ряемых ионов возрастают потоки энергии за счет столкновений с ядрами ми-
шени.
Среднее значение удельных потерь энергии для одного бомбардирующего
иона можно представить в виде суммы ядерной Sn и электронной Se состав-
ляющих процесса торможения:
—dEfdx=N(Sn+Se), (6.1)
где Е — энергия иона в точке х, расположенной на его пути; /V — среднее чис-
ло атомов в единице объема. Согласно (6.1)
1 dE
dX= N Sn+S. •
Таким образом, полная проекция пробега Rp для ионов с энергией Е опре-
деляется как
Е
п = » f -
’ N j Sn+S. ‘
Ядерная тормозная способность не зависит от энергии движущихся
(6.2)
ионов:
(6.3)
г1/3^
где Zi, z2— атомные номера движущегося иона и атома мишени;
= (z I 3 -Н^3)1/2; Мь М2—молярные массы иона и материала мишени.
Электронная тормозная способность пропорциональна скорости движущихся
ионов:
Se=kE42. (6.4)
Для аморфной мишени коэффициент k определяется природой ионов и ма-
териала мишени. Поскольку Se изменяется с увеличением энергии Е, a Sn ос-
233
тается постоянной, должна существовать некоторая энергия ЕкР, при которой
5e=Sn. Тогда для кремниевой мишени (Л42=28, Z2e14)
z, l/2e Sn_ =65.j0_s------------------ —Ml— (6.5)
Kp fes> [(14)«/»+(Z,)V»]i/« Mi+28 1 '
При имплантации в кремний ионов бора (2i°5, /Mt = 10) £кр~2-10~15 Дж,
а при имплантации ионов фосфора (zx~ 15, Afi=30) £!{р=3-10~14 Дж.
Если начальная энергия бомбардирующего атома значительно меньше
Екр, т. е. Sn>Se, то преобладает торможение на ядрах. Для этого случая урав-
нение (6.1) можно записать в виде
-dE/dx^NSn (6.6)
Проекция пробега ионов для кремниевой мишени (Wsi=5-1022 см~3) соглас-
но (6.2)
z1/3 AL-f-Mo
R„~ 1,12-10-»-----------------------------------1 Е,
zxz2 Мх
где Rp — в м; Е — в Дж.
Если начальная энергия движущихся ионов много больше ЕкР, то преоб
ладает электронное торможение. При этом проекция пробега для кремниевой
мишени
(6.8)
zxz2 М,
(6.7)
RP~5E4*.
Эта формула удобна для оценки максимальной длины R^ быстрых бомбарди
рующих ионов в кремниевых мишенях при отсутствии каналирования. Напри-
мер, при энергии падающих ионов 1,4-10—14 Дж RP=5- (1,4- 10-l4)l/*«6-107 м~
«0,6 мкм.
Радиационные нарушения в мишени создаются главным образом при Sn>
OSe. Поэтому при внедрении ионов малых энергий радиационные дефекты об
разуются вдоль всей траектории, а при высокой энергии ионов — только в кон
це их пробега.
Средние значения проекции пробега и нормального отклонения проекции
пробега для ионов III и V групп с различной энергией в кремниевой мишени
приведены в табл. 6.1. Зависимости dEjdx и длины пробега RP от энергии для
Рис. 6.4. Зависимость dE/dx от энер-
гии, полученная расчетным путем,
для As, Р и В (точками отмечены
значения энергии ионов, при которых
составляющие ядерного и электрон-
ного торможения равны)
Рис. 6.5. Зависимость проецирован-
ной длины пробега Rp ионов As, Р
и В от энергии, полученная расчет-
ным путем
234
Таблица 6.1. Средние значения проекции пробега Rp и нормального
отклонения проекции пробега &RP для ионов III и V групп в кремниевой мишени, нм
Ион Показатель Ускоряющее напряжение, кэВ
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
В 78,4 161 243,8 323,8 397,7 468,8 537,4 603 665,4 725,3
&RP 32,1 53,8 70,8 83,9 93,9 102,5 109,8 116 121,3 125,9
N Rp 54,1 111,6 169,3 227 284,3 340 392,6 443 492,5 540,9
ДЯр 22,9 39,6 53,2 64,9 75,1 83,7 90,8 96,9 102,6 107,6
А1 Rp 29,4 56,6 85,3 114,6 144,6 175 205,5 235,8 266,2 296,9
&Rf 11 19,5 27,5 34,8 41,8 48,4 54,4 59,8 65,1 70,2
Р RP_ 26 49 73,2 98 123,3 149,1 175,2 201,4 227,7 253,8
ARp 9,4 16,4 23,1 29,5 35,4 41,1 46,6 51,8 56,6 61
Ga Rp 16,3 28 39,2 50,2 61,1 72 82,9 94 105,3 116,7
&R$ 4 6,7 9,1 11,5 13,7 15,8 17,9 19,9 22 24,1
As Rp. 15,9 27,1 37,7 48,1 58,4 68,6 78,9 89,1 99,5 110,1
ARp 3,7 6,2 8,4 10,5 12,5 14,5 16,3 18,2 20 21,9
In Rp 14,1 23,1 31,2 39 46,4 53,8 61,1 68,4 75,6 82,7
\RP 2,5 4 5,3 6,6 7,7 8,9 10 Н,1 12,1 13,2
Sb Rp 14 22,9 30,8 38,4 45,7 52,8 59,9 66,9 73,9 80,9
&Rp 2,4 3,8 5,1 6,3 7,4 8,4 9,5 10,5 11,5 12,5
.Ь и В, Р в кремнии приведены на рис. 6.4 и 6.5. На рис. 6.5 представлены ре-
зультаты имплантации в аморфную кремниевую мишень и термический окисел
SiC>2 (плотность 2,27 г/см3).
Если известны значения Rp и Д£р и полная ионная доза облучения, мож-
но определить профиль концентрации примеси в кремниевой мишени. Полной
дозе облучения соответствует поверхностная концентрация ионов N8, бомбарди-
рующих мишень:
Л^ = Собл/<7, (6-9)
где <2обл — доза облучения, Кл-см~2; q — заряд иона, Кл/ион.
Распределение концентрации примеси в кремниевой мишени, легированной
методом ионной имплантации, подчиняется гауссовскому закону
Nx=-----—z exp
А7?РИ 2л
x—Rp
kRP
TVhcx,
(6.10)
где NaCx — исходная концентрация примеси в кремниевой мишени.
Профиль распределения концентрации примесей ионов, внедренных в
аморфную мишень, приведен на рис. 6.5.
Максимальная концентрация примеси, соответствующая наиболее вероят-
ной проекции пробега Rp (x = Rp),
TVmax —0,47V 8/kRp.
(6.И)
Глубина залегания p — n-перехода
xj = /?p±A/?p 1/ 2 In -------------
г 2л
(6.12)
При извлечении корня следует учитывать оба знака, так как концентрации оп-
ределяются в объеме полупроводника. При этом возможно одновременное об-
разование двух р — n-переходов (рис. 6.6).
Распределение пробегов ионов в монокристаллических мишенях отличается
от их распределения в аморфных тем, что в монокристаллах направление па-
дающего пучка ионов может совпадать с одним из основных кристаллографиче-
ских направлений мишени (рис. 6.7, а), что связано с эффектом каналирования.
Движение ионов строго по центру канала маловероятно. Однако может
существовать траектория, осциллирующая около оси канала, если имплантиро-
ванные ионы передвигаются (постоянно сохраняя импульс, направленный к
центру канала) с помощью последовательных легких соударений с атомами,
образующими «стенки» канала. Такая траектория движения ионов показана
на рис. 6.7, б, где направление пути иона составляет угол <р с осью канала.
Максимальный угол <р, при котором исчезает направляющее действие ато-
мов мишени, называется критическим углом каналирования фкр. Он определяет
возможность каналирования. Для большой энергии падающих ионов когда
------
2леоа2
(6.13)
а для энергии, меньшей чем Ео,
Рис. 6.6. Профиль распределения концент-
рации примесей ионов, внедренных в
аморфную мишень
Ei1/2,
236
Рис. 6.7. Схема, поясняющая процессы ка-
налирования и распределения падающих
ионов по глубине (а), и траектория дви-
жения каналированного иона (б).
А. — область, в которой распределение Имеет
такой же вид, как и в аморфной мишени t В —
распределение ионов, создаваемое каналирова-
нием; Б — область деканалирования
(6.14)
где zi, z2 — атомные номера ионов и атомов мишени; е — заряд электрона; 8о—
диэлектрическая постоянная вакуума; d — расстояние между атомами мишени;
с — постоянная, зависящая от потенциальной энергии; а — радиус экранирова-
ния; Ei — энергия падающих ионов.
В табл. 6.2 приведены критические углы каналирования в кремнии для ио-
нов бора, азота, фосфора и мышьяка.
Таблица 6.2. Критические углы каналирования в кремнии для ионов
бора, азота, фосфора и мышьяка
Ион Энергия, кэВ <Ркр» гРад
Ориентация кристалла
1П0] 1 11111 11001
В 30 4,2 3,5 3,3
50 3,7 3,2 2,9
N 30 4,5 3,8 3,5
50 4,0 3,4 3,0
Р 30 5,2 4,3 4,0
50 4,5 3,8 3,5
As 30 5,9 5,0 4,5
50 5,2 4,4 4,0
Расчет концентрации внедренных ионов для каналированного пучка ослож-
нен действием деканалирующих факторов (тепловые колебания атомов мише-
ни, несовершенство структуры и др., рис. 6.8).
237
Рис. 6.8. Зависимость рассеяния Д/?р и Д/?±от энергии, полученная расчетным
путем для ионов As, Р и В, имплантированных в кремний
Если известны экспериментальные значения Se, то
Яра^=2ЕУ2В, (6.15)
0 Rx X
Рис. 6.9. Схема образования реаль-
ного профиля концентрации приме-
сей в твердом теле:
1 — для неканалированных ионов; 2 —
реальное распределение; 3 — для идеаль-
на каналированных ионов; 4 — деканали-
рованные ионы, 5 — остаток каналирован-
ного пучка
где B—NSeE^2 —постоянная, зависящая от Se, измеренной при некотором
фиксированном значении Е$.
Если предположить, что все ионы идеально каналированы, то распределе-
ния концентрации ионов в мишени будут иметь два максимума: один для нека-
налированных ионов согласно (6.11), другой для идеально каналированных ио-
нов в соответствии с (6.15) (рис. 6.9). В полупроводниковой технологии эффект
каналирования дает возможность получать более глубокие легированные слои
и уменьшать число радиационных нарушений.
На образцах кремния с ориентацией поверхности [НО] относительно пучка
с точностью до 0,1° вероятность каналирования с ростом энергии ионов возрас-
тает, а с увеличением дозы облучения
падает. При углах разориентации пучка
ионов в мишени около 8° профили рас-
пределения концентраций меняются ма-
ло. Увеличение температуры мишени
вызывает деканалирование ионов вслед-
ствие тепловых колебаний кристалличе-
ской решетки, значение Rp при этом
почти не изменяется.
На рис. 6.10 и 6.11 приведены кри-
вые, характеризующие влияние дозы и
температуры облучения на распределение
ионов фосфора в кремниевой мишени.
Профиль распределения концентрации
ионов фосфора при имплантации с энер-
гией 1,6 -10“13 Дж (рис. 6.12, а) указы-
вает на хорошее соответствие расчет-
ных и экспериментальных данных. Кри-
вая распределения ионов фосфора при
имплантации (рис. 6.12, б) имеет макси-
238
Рис. 6.11. Влияние температуры на
профиль распределения ионов фос-
фора 31р+ при имплантации в крем-
ниевую мишень с ориентацией [111]
и энергией 6-10~15 Дж:
1 — Г-673 К; 2 - Г-293 К
Рис. 6.10. Влияние дозы облучения
на распределение ионов фосфора
81Р+ при имплантации в кремниевую
мишень с ориентацией [НО] и энер-
гией Е=6-10”15 Дж:
/ _ yve-1,2-1013 см-2; 2 — JVS=8,9-1013 см-2;
3 — Л^-7,25-1014 см-2
Рис. 6.12. Профили распределения концентрации ионов фосфора 31Р+ при им-
плантации в кремниевую мишень с ориентацией [111] для ТОтж=973 К и
^отжв30 мин:
а -JVe-4-10й см-2; £-1,6-10-13 Дж; б - Qo6 д-4-10-3 Кл/см2, Д-4,8-10-17 Дж;
/ — теоретическая кривая; 2 — экспериментальная
мум при Ях=0,04 мкм, что соответствует теоретическим расчетам (0,037 мкм).
Однако глубина залегания р — n-перехода при УИсх= 1,5-1017 см-3, равная
0,19 мкм, существенно отличается от расчетной (0,125 мкм), что объясняется
эффектом каналирования.
6.2. Образование радиационных дефектов
При внедрении в кристаллическую подложку ионы подвергаются электрон-
ным и ядерным столкновениям, однако только ядерные взаимодействия приво-
дят к смещению атомов подложки. Поэтому ионная имплантация сопровожда-
ется возникновением в материале мишени множества разнообразных радиаци-
онных дефектов. Наряду с простейшими точечными дефектами (межузельные
атомы и вакансии) могут образовываться более сложные дефекты в виде комп-
лексов точечных дефектов, а также линейные и плоскостные дефекты (дисло-
кации, дефекты упаковки). Число и вид радиационных дефектов, их распреде-
ление по глубине, заряд и подвижность зависят от массы и энергии ионов, дозы
239
Рис. 6.13. Расчетные профили распределения плотности дефектов, вводимых
имплантацией:
а — бора; б — мышьяка.
Значения энергии осаждения QD получены умножением нормированной плотности де-
фектов на Ed/Rp, эВ/нм. Отношение Ed/Rp для В равно 129 при 10 кэВ и 61 при
100 кэВ; для As — 914 при 10 кэВ и 993 при 100 кэВ
облучения, материала мишени, ее температуры и кристаллической ориентации,
наличия на ее поверхности загрязнений и т. п. При определенных температурах
может происходить релаксация точечных дефектов и объединение их в класте-
ры. На рис. 6.13 показаны профили нормированного распределения плотности
дефектов (QDRp/Ed, где Qd— смещение атомов, эВ/нм), в зависимости от рас-
стояния (x/Rp) для имплантации бора и мышьяка в кремнии. Концентрация
смещенных атомов кремния N, см~3, приблизительно равна ®QD/EdQf где Ф —
фаза имплантации, ион/см2, a EdQ — энергия смещения атомов мишени, эВ. Для
кремния Ed0^l5 эВ.
Общее число смещенных атомов кремния на один падающий ион
N(E)0Q^En/2Edo, (6.16)
где Е — энергия, достаточная для прохождения процессов ядерного торможения.
Количество радиационных дефектов растет по линейному закону с увели-
чением дозы имплантации до наступления насыщения, когда ранее смещенные
атомы опять поглощают энергию от других имплантированных ионов. Если
концентрация смещенных в устойчивое положение атомов достигает Nsi =
=5-1022 см~д, т. е. каждый атом мишени смещен в устойчивое положение (есте-
ственно, в течение определенного времени), то материал мишени меняет свое
состояние и становится аморфным.
Для низкотемпературной имплантации критическую энергию, которую необ-
ходимо сообщить кристаллу для того, чтобы сделать его аморфным, можно
оценить по выражению £кр~М024, эВ-см3, где коэффициент f для кремния при-
мерно 0,1...0,5. :
На накопление радиационных дефектов значительное влияние оказывает
температура подложки. Зависимость критической дозы DKP, необходимой для со-
здания непрерывного аморфного слоя в кремний, от температуры мишени для
В, Р и Sb приведена на рис. 6.14.
240
Рис. 6.14. Зависимость критической
дозы £>кр, необходимой для созда-
ния непрерывного аморфного слоя
кремния, от температуры мишени
для различных ионов (температура
мишени, при которой кремний не
переходит в аморфное состояние,
выше для ионов с более высокой
массой)
Рис. 6.15. Зависимость отношения
концентрации свободных носителей
заряда (ЛГхолл) к дозе импланта-
ции бора (Ф) от температуры от-
жига (Та) для трех значений дозы
бора при £'импл=150 кэВ, 7=248 К
и Z==30 мин (при Та>И73 К кон-
центрация свободных носителей при-
ближается к дозе)
6.3. Отжиг легированных структур
Исследование процесса отжига имплантированных структур приводит к вы-
воду о том, что влияние отжига на аморфные слои и на точечные и линейные
радиационные дефекты различно.
Одной из основных проблем технологии ионного легирования является оп-
ределение минимальных температуры и времени отжига, необходимых для пол-
ной активации доноров и акцепторов при условии полного устранения остаточ-
ных дефектов. В связи с этим возникает и другая проблема — достижение пол-
ной электрической активности легирующих примесей без значительного проте-
кания диффузии атомов примеси.
* Изохронный отжиг. Проводится при постоянном времени и различных тем-
пературах. На рис. 6.15 приведена зависимость скорости твердофазной эпитак-
сиальной перекристаллизации аморфного кремния от температуры для различ-
ной кристаллической ориентации. Весь диапазон температур отжига разбит на
три области. В случае ионной имплантации с малой дозой электрическая ак-
тивность внедренной примеси монотонно возрастает с увеличением температуры
отжига, для двух более высоких доз наблюдается так называемый отрицатель-
ный отжиг, т. е. уменьшение электрической активности имплантированного
бора в области II при возрастании температуры отжига от 773 до 873 К.
Для области I характерно наличие точечных радиационных дефектов, кон-
центрация которых больше концентрации свободных носителей заряда. Установ-
лено, что в этой области отсутствуют линейные дефекты (дислокации). Повыше-
ние температуры отжига от комнатной до 773 К приводит к ликвидации таких
точечных дефектов, как дивакансии. При этом концентрация бора в узлах кри-
сталлической решетки также уменьшается при увеличении температуры до 773 К.
16 Заказ № 1270
241
Однако, если концентрация бора снижается примерно в два раза, то концентра-
ция свободных носителей заряда увеличивается на порядок, что приводит к
уничтожению дефектов-ловушек.
Для области II характерна структура, содержащая дислокации, что объ-
ясняется удалением атомов замещения. Дислокации образуются при темпера-
туре выше 773 К. По сравнению с областью, соответствующей температуре
773 К, область II при 873 К содержит меньшую концентрацию атомов бора в
узлах кристаллической решетки кремния и ббльшую концентрацию межузельных
атомов бора с неопределенным положением в кристаллической решетке. Таким
образом, атомы бора могут образовывать преципитаты или локализоваться
вблизи дислокаций.
В области III концентрация активных атомов бора увеличивается. Энергия
активации этого процесса примерно 5 эВ. Такое значение соответствует гене-
рации и миграции собственных вакансий кремния при повышенных температу-
рах. После генерации вакансии двигаются к межузельным атомам бора (пре-
ципитатам), что приводит к распаду последних. В случае имплантации бора
с меньшими дозами, когда не происходит уменьшения концентрации активных
атомов примеси с увеличением температуры отжига в области II, атомы бора
замещают кремний в узлах кристаллической решетки без участия термически
генерированных вакансий. При дозах имплантированных ионов около 1012 см~2
полный отжиг происходит при температуре 1073 К в течение нескольких минут.
Изохронный отжиг слоев фосфора, имплантированных при комнатной тем-
пературе мишени, производится следующим способом. При дозе около 10й см”2
имплантированные слои не являются аморф-
ными. Увеличение дозы имплантируемого
фосфора от 3*1012 до 3* 1014 см-2 требует
проведения отжига при более высоких тем-
пературах для устранения более сложных
радиационных дефектов по сравнению с от-
жигом слоев, имплантированных бором На
рис. 6.16 прерывистые кривые соответствуют
имплантированным слоям без аморфной
структуры, а сплошные кривые относятся
к отжигу аморфных имплантированных сло-
ев. После того как имплантированный слой
фосфора становится аморфным при дозе
выше 3-1014 см~2, начинает действовать
другой механизм отжига. Для больших
Рис. 6.16. Зависимость концентрации
свободных носителей заряда от тем-
пературы отжига для различной
дозы имплантации фосфора при
Ьимпл=280 кэВ, Т=298К и/=30мин
Глубина, мкм
Рис. 6.17. Концентрационные профи-
ли атомов бора (получены методом
масс-спектрометрии вторичных ио-
нов) и соответствующие профили
концентрации свободных носителей
заряда (данные холловских измере-
ний) для температур отжига 1073
и 1173 К при £импл —70 кэВ,
ф=Ю15 см~2, ^=35 мм.
Сплошная линия — профили бора, штрих*
пунктир — свободных носителей
242
доз имплантации температура отжига постоянна (около 873 К). Эта темпера-
тура ниже температуры отжига кристаллических имплантированных слоев (доза
около 1014 см~2). Такой эффект связан с протеканием процесса твердофазной
эпитаксиальной перекристаллизации аморфных имплантированных слоев на
монокристаллической подложке. Поскольку в процессе перекристаллизации атомы
примесей V группы в основном не отличаются от атомов кремния, импланти-
рованные атомы внедряются в узлы кристаллической решетки кремния.
Ионно-имплантированные при комнатной температуре мышьяком или сурь-
мой слои ведут себя при отжиге подобно слоям, ионно-имплантированным фос-
фором, за исключением того, что образование областей с аморфной структурой
происходит при меньших дозах имплантированного мышьяка или сурьмы.
Изотермический (кинетический) отжиг. Отжиг при постоянной температуре
в течение различного времени. По мере увеличения времени отжига импланти-
рованного бора электрическая активность легирующей примеси возрастает от-
носительно медленно, при этом доля электрически активных атомов бора в те-
чение нескольких порядков величины времени повышается от начального до
значения, составляющего более 90% от начального. Это происходит вследствие
того, что прежде всего отжигаются области, соответствующие участку профиля
распределения с низкой концентрацией имплантированных атомов, а затем уже
область, соответствующая центральной части профиля распределения импланти-
рованной примеси. После отжига в течение 35 мин имплантированные атомы
бора, соответствующие «хвостам» профиля распределения с концентрацией бо-
ра 1015 см~2, становятся электрически активными, тогда как атомы бора цент-
рального участка профиля распределения остаются неактивными (рис. 6.17).
Аморфные имплантированные слои могут быть перекристаллизованы с ис-
пользованием процесса твердофазной эпитаксии. При имплантации кремния
в кремний с образованием аморфного слоя скорость перекристаллизации vn при
температуре 823 К для кристаллографической ориентации поверхности подлож-
ки от плоскости (100) составляет приблизительно 10 нм/мин, а для ориентации
по плоскости (111)—0,3 нм/мин (рис. 6.18). Перекристаллизация сопровожда-
ется образованием дефектного (двойникового) слоя, что, очевидно, происходит
благодаря эпитаксиальному росту вдоль наклонной плоскости (111). Энергия
активации процесса перекристаллизации, определяемая из зависимости скорости
перекристаллизации от обратной температуры, составляет 2,3 эВ.
Диффузия имплантированных примесей в кремнии является сложным про-
цессом даже при отсутствии радиационных рефектов. При этом важную роль
играют термические вакансии кремния и межузельные атомы кремния, посколь-
ку они действуют в качестве стоков примесных частиц.
Если предположить, что коэффициент диффузии является постоянным и,
следовательно, не зависит от расстояния, времени, концентрации дефектов
и т. д., то можно записать простое решение гауссовского распределения им-
плантированной примеси. При гауссовском первоначальном распределении имп-
лантированной примеси решение диффузионного уравнения для диффузии из
ограниченного источника также описывается функцией Гаусса. Таким образом,
если заменить ARP2 на Д/?Р2+2£>/, решение второго уравнения Фика dn/dt—
—Dd2n/dx2 может быть представлено в следующем виде:
«<* о - /-________охр Г ~('7Х, 1 (6 '7)
V 2л /&.Rp2+2Dt [ 2(Д/?₽ +2DZ) .
Граничным условием, например, может являться отсутствие обратной диф-
фузии примеси с поверхности подложки. Получены также решения уравнения
диффузии для случая, когда поверхность подложки покрыта слоем окиси.
Лазерный отжиг. Имплантированные слои могут быть подвергнуты лазер-
ному отжигу с плотностью энергии в диапазоне 1...100 Дж/см2. Этот метод
имеет ряд преимуществ по сравнению с термической обработкой. Вследствие
короткого времени нагрева имплантированные слои могут быть термообработа-
ны без заметной диффузии имплантированной примеси. Имплантированные
аморфные слои толщиной 100 нм перекристаллизуются в течение нескольких
секунд при температуре 1073 К по механизму твердофазной эпитаксии. Диф-
фузионная длина легирующих примесей ^Dt составляет значение линии в не-
16* 243
Рис. 6.18. Зависимость скорости
твердофазной эпитаксиальной пере-
кристаллизации аморфного кремния
от температуры для различной кри-
сталлографической ориентации
Глубина хНГ’ мк
Рис. 6.19. Профиль распределения
мышьяка, имплантированного в крем-
ний и термообработанного с исполь-
зованием лазера непрерывного дей-
ствия и с применением стандартной
методики отжига:
/ — термический отжиг (1273 К. 30 мин);
2 — лазерный отжиг
сколько десятых долей нанометра. На рис. 6.19 показаны профили концентрации
мышьяка, имплантированного в кремний, по глубине имплантированных слоев,
подвергнутых термообработке обычным методом и лазером непрерывного дей-
ствия для осуществления процесса твердофазной эпитаксии.
Значительным преимуществом метода термообработки импульсным лазером
является то, что после расплавления и кристаллизации аморфных слоев по
методу жидкофазной эпитаксии в них отсутствуют линейные дефекты. Полага-
ют, что в процессе импульсного лазерного отжига происходит расплавление
аморфного кремния и его кристаллизация из жидкой фазы на монокристалли-
ческой подложке. Однако в перекристаллизованных после ионной имплантации
слоях содержатся точечные дефекты значительной плотности, появление которых
связано с протеканием быстрого процесса кристаллизации. Применение отжига
при низких температурах (673 К) в среде водородной плазмы уменьшает плот-
ность точечных дефектов. С использованием технологии лазерного отжига со-
здают биполярные и МОП-транзисторы, кремниевые солнечные батареи.
В технологии быстрого термического отжига в настоящее время нагрев
осуществляют лучом импульсного лазера (с временем обработки в несколько
пикосекунд), импульсными электронными и ионными пучками, сканируемым
электронным лучом, сканируемым лучом лазера непрерывного действия, высоко-
интенсивной имплантацией и широкополосными спектральными источниками
(высокоинтенсивными лампами с быстрым (около 50 с) программируемым от-
жигом). Диапазон плотности энергии каждого источника в зависимости от вре-
мени отжига показан на рис. 6.20. Величины плотности энергии многих источ-
ников локализуются вдоль линии, соответствующей 1 Дж/см2.
При использовании широкополосных спектральных источников и нагреве
электронными и ионными пучками отсутствуют эффекты оптической интерфе-
ренции и тем не менее сохраняются преимущества быстрого термического от-
жига.
244
Рис. 6.20. Зависимость
плотности энергии от
времени отжига (про-
должительности импуль-
са) для различных ме-
тодик быстрого терми-
ческого отжига
10’2
10 8
10 6
10е* -
107 -
1ю'°
Импульсный лазер
Импульсный лазер, электронный
луч, ионный пучок
Сканируемый
электронный
пучок
Лазер непрерывного
действия
1ермическии
отжиг
Некогерентный
хотжиг
Имплантация
пучком с большой
плотностью тока
l t л । I । I ।______L__।_I—l_2S1—।—I—_j—L—
Ю'12 1О~10 10'8 Ю'6 Ю~4 Ю~2 10° Ю2 10*
Время отжига, с
6.4. Технологическое оборудование для ионной имплантации
Установки ионной имплантации, как правило, содержат ионный источник,
экстрагирующую и фокусирующую оптику, ускоритель, сепаратор масс, устрой-
ство сканирования ионного пучка, систему источников питания, приемную ка-
меру, вакуумную систему, а также устройства контроля и управления техноло-
гическим процессом (рис. 6.21).
Источниками ионов называют устройства, в которых на основе различных
принципов ионообразования создается определенная концентрация заряженных
частиц — ионов. Ионы образуются из нейтральных молекул или атомов вслед-
ствие ионизации электронным ударом, фотоионизации, химической или термиче-
ской ионизации, ионизации в результате соударений с другими ускоренными
ионами и т. д.
Источники ионов с поверхностной термической ионизацией. Наиболее про-
стым по конструкции является источник с поверхностной термической иониза-
цией. Принцип его действия основан на явлении поверхностной ионизации, когда
адсорбирующиеся на разогретой поверхности атомы, имеющие меньший потен-
циал ионизации, чем работа выхода электронов из адсорбента, отдают ему свой
внешний электрон. После этого адсорбированные атомы могут покинуть поверх-
ность уже в виде положительных ионов. При отсутствии влияния внешнего
электрического поля согласно правилу Саха — Ленгмюра зависимость степени
ионизации а+ от температуры /, потенциала ионизации /и адсорбированных
атомов и потенциала выхода металла ионизатора <р имеет следующий вид:
a+=N+fN0=A ехр[е(ф—/и)/(^7’)], (6.18)
где N+ — число ионов; Nq — число атомов, десорбирующихся с поверхности
(без ионизации); А — константа, характеризующая отношение статических ве-
сов ионного и атомного состояний; е — заряд электрона; k — постоянная Больц-
мана.
Рис. 6.21. Схема уста-
новки ионного легирова-
ния:
1 — ионный источник; 2 —
системы вытягивания и ус-
корения ионов; 3 — анали-
затор ионов по массам; 4 —
щель; 5 — система фокуси-
ровки; 6 — система сканиро-
вания; 7 — приемное уст-
ройство; в. н. — вакуумный
насос
245
Конструкция такого источника состоит из прямоканального вольфрамового
керна, выполненного из ленты. На ленту помещают запас щелочного металла
или соединения его в виде соли. Обычно на поверхность ионизатора наносят
галоидную соль щелочного или щелочно-земельного металла (например, KJ,
NaCl, СаС12 и др.). Источники позволяют получать с помощью дополнительного
вытягивающего электрода потоки положительных ионов, Na+, Cs+, Rb+, К+,
Li, а также потоки отрицательных ионов J~, F~, Вг“, С1~. Ионные потоки ха-
рактеризуются очень малым энергетическим разбросом ионов (0,1...0,3 эВ), от-
сутствием многозарядных ионов, относительной чистотой состава. Однако общие
точки сравнительно невелики. Плотность ионных токов не превышает 10~4...
...10~3 А/см2.
Источники с ионизацией электронным ударом. Ионизация электронным уда-
ром характеризуется передачей молекуле газа энергии от ускоренных элект-
ронов, для чего эта энергия должна быть больше величины eVf, где Vi — ио-
низационный потенциал данной молекулы. Используемые электроны создаются
термо- или автоэлектронной эмиссией либо образуются в газовом разряде.
Электроны ускоряются при помощи электростатического или высокочастотного
поля и удерживаются в ограниченном объеме магнитным полем.
Число ионизирующих соударений, претерпеваемых электроном при прохож-
дении единичного пути в газе при единичном давлении, называется дифферен-
циальным коэффициентом ионизации S€. Коэффициент зависит от энергии элект-
рона Ue и типа газа. Электроны, энергии которых много больше или меньше
энергий ионизации атомов и молекул, не могут эффективно ионизировать эти
частицы. Оптимальной для ионизации электронным ударом является энергия,
в несколько раз превышающая энергию ионизации.
Число ионов на квадратный сантиметр в секунду п+, образованных элект-
ронным током плотностью А/см2, проходящим расстояние Z, см, через газ
при давлении р, Па, определяется из соотношения
n+=(/-p/Se)/e. (6.19)
Когда электроны с высокими энергиями теряют энергию в результате со-
ударений (приводящих к ионизации или рассеиванию), их коэффициент иони-
зации меняется. Если энергия электрона становится меньше минимальной энер-
гии ионизации любого атома в объеме, он больше не может ионизировать, и
его называют конечным электроном. Электроны с высокими энергиями вызы-
вают эффективную ионизацию только в том случае, когда их число в иони-
зационном объеме поддерживается в течение промежутка времени, достаточно-
го для того, чтобы они потеряли свою энергию в результате ионизирующих
столкновений. Для увеличения пути ионизации и времени жизни электронов
часто используют силы, создаваемые удерживающими магнитными или высоко-
частотными полями. Схемы источников, использующих эти положения, изобра-
жены на рис. 6.22.
Высокочастотные источники ионов. Ускоряясь в электрическом высокоча-
стотном поле, электроны внутри объема источника приобретают энергию, до-
статочную для ионизации атомов газов и паров рабочих веществ. В диапазоне
давлений 10...10-2 Па в рабочем объеме источника от внешнего высокочастот-
ного генератора поддерживается разряд. Плазма этого разряда и является
поставщиком ионов. Если на область высокочастотного разряда наложить внеш-
нее магнитное поле, то эффективность источника повысится.
Высокочастотные источники различаются по способу возбуждения разряда
(емкостные, индуктивные), по направлению внешнего магнитного поля (про-
дольное или поперечное по отношению к оси разряда в источнике), по мощно-
сти и общим выходным токам (от единиц микроампер до сотен миллиампер
в импульсном режиме).
Ионный источник с магнитным полем, совпадающим по направлению с ион-
ным пучком, представлен на рис. 6.23. От внешнего высокочастотного генера-
тора мощность (для исследовательских установок 40... 100 Вт) подается на ин-
дуктор, между витками которого расположена кварцевая колба. Внутри колбы
поддерживается разряд в рабочем газе. Размеры области высокочастотной плаз-
мы, плотность заряженных частиц в ней, а также начальные условия зажига-
246
Мягкое
железо "
Постоянный
магнит
Впуск с
газа [
7/////////М
s^/fa/770<?(Mg)
^^Анод (Mg*)
Вытягивающий
днтикагпоу ({4g.)
f/fOHM ”
6)
В)
a
Рис. 6.22. Источники ионов с ионизацией электронным ударом:
источник с осциллирующими электронами; б — источник Пеннинга с холодным като-
дом; в — высокочастотный источник ионов
247
ся положительный потенциал 2... 10
Рис. 6.23. Высокочастотный ионный ис-
точник:
/ — индуктор; 2 — колба; 3 — зона раздела;
4— катушка электромагнита; 5— экран; 6 —
анод; 7 — вытягивающий электрод; 8 — изо-
лятор; 9 — ионный пучок; 10 — система на-
пуска газа
ния разряда можно изменять, регулируя
давление рабочего газа, индукцию В
поперечного внешнего магнитного поля
и выходную мощность генератора. В рас-
сматриваемой конструкции реализуется
разряд /7-типа, наведенный рариальной
составляющей электрического поля ин-
дуктора. Движущиеся электроны внутри
колбы ионизируют газ. На анод подает-
кВ. Для исключения прямого взаимодействия
плазмы с металлическими электродами и загрязнения ее посторонними ионами
поверхность анода экранирована кварцевой дисковой вставкой с центральным от-
верстием. Соосно с этим отверстием юстируется цилиндрический канал в вытя-
гивающем электроде. Непрерывная откачка источника и удаление потока посту-
пающего рабочего газа проводятся через канал в вытягивающем электроде и от-
верстие в аноде.
Высокочастотные источники при относительной простоте конструкции на-
дежны в работе, удобны в эксплуатации, однако создают высокочастотные
помехи и наводки на измерительные тракты. Общие ионные токи в непрерыв-
ном режиме зависят от типа ионов, и, например, для источника ускорителя
ИЛУ-200 их значения составляют 50...400 мкА.
Ионные источники на основе дугового разряда (плазмотроны). Эффектив-
ными ионными источниками являются дуговые разряды с дополнительным сжа-
тием или контрагированием плазмы дуги. При максвелловском распределении
скоростей заряженных частиц в плазме дуги ее поверхность способна эмигри-
ровать ионный ток плотностью
)+=0,4пе)/ГkTe/M, (6.20)
где п — концентрация ионов у границы плазмы; е — заряд иона; Те — темпера-
тура электронного газа в плазме; М — масса иона.
Концентрацию увеличивают или механическим путем, пережимая разряд
сужением внутреннего канала специального электрода, или формируя плазмен-
ный разряд и уменьшая его поперечное сечение воздействием внешнего магнит-
ного поля с необходимой конфигурацией силовых линий. Такой способ двойного
сжатия плазмы разряда реализуют в дуоплазмотронах.
В дуоплазмотроне, схематически изображенном на рис. 6.24, а, плазма сжи-
мается также неоднородным магнитным полем, создаваемым магнитной линзой.
Полюсы магнитной линзы изолированы друг от друга. Один из них может
использоваться в качестве промежуточного электрода, а второй — анода
Основным достоинством дуоплазмотрона является повышенная эффектив-
ность (50...95%). Однако в вытягиваемом интенсивном пучке ионы ускорены
почти до 70 кВ. В случае, когда требуется пучок низких энергий, необходима
система замедления, которая может уменьшить ток пучка на мишени. В им-
пульсных дуоплазмотронах получены плотности тока протонов до 65 А/см2,
что соответствует току около 1 А. Форма вытягиваемого пучка ионов может
быть изменена при помощи конического наконечника. Если магнитное поле в
плазме очень велико, вокруг пучка образуется «ореол», однако использование
конической вставки в наконечнике позволяет сделать пучок снова однородным,
как это видно на рис. 6.24, б, в.
Для работы с химически активными газами целесообразно применять дуо-
плазмотроны с полыми бесподогревными катодами.
Широкое распространение в промышленных установках ионного легирования
получили источники с дуговым разрядом в парах рабочего вещества. Для под-
248
Рис. 6.24. Схема дуоплазмотрона
(а), формирование пучка с ореолом
при помощи продольного магнитного
поля (б), устранение ореола при
помощи конического наконечни-
ка (в)
держания стабильного дугового разряда при пониженных давлениях в них ис-
пользуется ионизация ускоренными термоэлектронами с наложением на зону
дуги дополнительного внешнего магнитного поля. Отбор ионов обычно осу-
ществляют со значительно большей площади плазмы, чем в дуоплазмотронах,
при этом формируют потоки ионов с необходимым поперечным сечением: круг-
лые, квадратные, прямоугольные. Например, в установке ИЛУ-4 формируется
ленточный пучок с сечением 80x2 мм.
. На рис. 6.25 схематично приведена конструкция источника с дуговым раз-
рядом. Конструкция подобного типа используется в отечественных установках
ионного легирования. Особенностью их является заземление основного вытя-
гивающего электрода. В этом случае весь источник находится под высоким
вытягивающим потенциалом (положительным по отношению к земле), и поэто-
му его монтируют на высоковольтном изоляторе. Разряд поддерживается элект-
ронами, эмиттированными катодом и ускоренными по направлению к газораз-
рядной камере. Сменный массивный катод разогревается электронной бомбар-
249
Рис. 6.25. Схема ионного ис-
точника с дуговым разрядом:
/ — система напуска газа; 2 —
фланец крепления источника; 3 —
вакуумная камера установки; 4 —
высоковольтный изолятор; 5 — эк-
ран; 6 — нагреватель; 7 — тигель
с рабочим веществом; 8 — паро-
провод; 9 — дополнительный тер-
мокатод; 10 — основной катод;11 —
разрядная камера; 12 — фокусиру-
ющий электрод; 13 — вытягиваю-
щий электрод; 14 — запирающий
электрод; 15 — ионный поток; 16 —
плазменный шнур; 17 — магнит
дировкой от дополнительного катода — нити накала. За счет этого достигается
большая долговечность источника.
Если источник должен генерировать пучок ионов металла, то для малых
токов используют пеннинговский источник в режимах интенсивного распыления
катода, для больших токов — источник с разрядом при низком давлении.
В последнем металл нагревается в специальном тигле внутри камеры иониза-
ции до температур, обеспечивающих давление его паров над поверхностью
не менее 10“2...1 Па. Если необходимы интенсивные потоки ионов металла, то
используют источник с дуговым разрядом в парах материалов его электродов.
Дуговой разряд в высоком вакууме (р< 1 • 10~2 Па) зажигается дополнитель-
ным инициатором пробоя, а затем горит за счет непрерывного испарения из
катодных пятен и ионизации атомов металла катода. Такой источник может
генерировать металлическую плазму как в непрерывном, так и в импульсном
режимах. Степень ионизации плазмы близка к 100%. Один из таких плазмен-
ных источников ионов (торцевой холловский ускоритель) схематично показан
на рис. 6.26.
Устройства для разделения ионов. Вытягиваемый из источника поток ионов
обычно неоднороден по составу: в нем присутствуют ионы различных элемен-
тов и соединений, многозарядные ионы. Ионы также имеют разброс по энер-
гиям и скоростям. Все это затрудняет или делает невозможным проведение
управляемых технологических процессов и прецизионных анализов, в которых
рабочим инструментом является ионный поток. Для разделения ионов по Mi/q,
выделения ионов необходимой массы Mi и заряда q применяют различного
вида сепараторы. Сепарация основана на взаимодействии движущегося иона
с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В уст-
ройствах используются как постоянные, так и переменные высокочастотные
электрические поля.
Наибольшее распространение в установках получили следующие устройства
для разделения ионов: с постоянным магнитным полем, с взаимно ортогональ-
ными магнитными и электрическими постоянными полями (фильтр Вина), с од-
новременным воздействием постоянного и переменного электрических полей.
Рис. 6.26. Ионный источник на основе
ускорителя:
/ — держатель катода; 2 — пружина; 3 — катод;
4 — изолятор; 5 — промежуточный электрод; 6 *—
анод; 7 — катушка электромагнита; 8 — поток
плазмы; 9 — зарядный блок; 10 — блок управ-
ления
250г
Рис. 6.27. Траектория движения ио-
нов в поперечном магнитном токе
Рис. 6.28. Устройство сепарации
ионных пучков (фильтр Вина):
1 — конденсаторные отклоняющие пласти-
ны; 2 — магнит; 3 — траектории отклонен-
ных ионов; 4 — коллектор ионов
Фильтрацию тока по энергиям ионов осуществляют в энергоанализаторах в ос-
новном электростатического типа.
В однородном постоянном магнитном поле, имеющем составляющую индук-
цию, нормальную к направлению скорости движения иона, на него действует
сила Лоренца (рис. 6.27).
В результате ионы движутся по окружности с радиусом г:
143,95-104 /£Г7т----
,-~В--------У <6.2И
где В — магнитная индукция, Тл; £7уСк — ускоряющее напряжение, В; Mi — мас-
са иона, а. е. м.; п — кратность заряда иона.
Как следует из (6.21), ионы различных масс при одинаковых других па-
раметрах процесса сепарации двигаются по различным траекториям. На рис. 6.27
вектор напряженности магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости
хОу. В точке 0, которую условно будем рассматривать как точечный источник
ионов разных масс, начинается разделение траекторий ионов. Сплошные полу-
окружности соответствуют массам М\ и М2. Поместив на определенной выбран-
ной траектории коллектор ионов, можно последовательно подводить к нему
ионные потоки разделенных в пространстве масс. При этом применимы два ви-
да развертки по массам: медленное изменение во времени магнитного поля
или ускоряющего напряжения. В статических магнитных сепараторах одновре-
менно с разделением общего потока ионов происходит фокусировка каждого
выделенного потока, при этом вследствие его начальной расходимости точечный
источник фокусируется в линию АВ. Одна из .возможностей снижения такого
рода геометрической аберрации — применение неоднородных магнитных полей.
Например, если ослабить магнитное поле ниже траектории до ординаты I и
выше до ординаты II, то траектории ионов одной массы, движущихся по
внутренним и наружным окружностям (штриховые линии), несколько распря-
мятся, т. е. их радиусы увеличатся. В результате можно достичь практически
безаберрационной фокусировки в точке А.
В большинстве промышленных и исследовательских установок применяются
секторные магнитные системы, в которых поворот пучка происходит на углы,
меньшие 180° (например, на 45, 60 или 90°). Так, в установках типа «Везувий-2»
применяется секторный С-образный постоянный магнит, обеспечивающий угол
поворота потоков ионов бора на 90°, фосфора на 60° в одной вакуумной камере,
располагаемой между полюсами этого магнита.
‘В ряде установок для сепарации общего ионного потока смонтированы
устройства (фильтры Вина) со скрещенными ортогонально магнитными и элект-
рическими полями (рис. 6.28). Движущиеся ионы в этом устройстве проходят
пространство, ограниченное отклоняющими пластинами конденсатора и полю-
сами постоянного магнита. На ионы действуют две противоположно направ-
251
ленные силы со стороны электрического и магнитного полей. Если эти силы
уравновешены, то ион продолжает движение по прямой вдоль оси устройства.
При выбранных напряженностях полей такую траекторию способны сохранить
только ионы определенной массы и скорости, все другие вынуждены будут дви-
гаться по искривленным траекториям. Для выделяемого отношения Мг/q спра-
ведливо соотношение
= (6.22)
где В и Е — напряженности магнитного и электрического полей соответственно.
В последние годы все интенсивнее стали использоваться динамические масс-
сепараторы на квадрупольных системах. В одиночном квадрупольном сепара-
торе дополнительно происходит фокусировка потока в линию в одной плоскости
и дефокусировка в плоскости, ей ортогональной. К преимуществам такого
фильтра масс следует отнести простоту конструкции и слабую зависимость раз-
решающей способности 7И/А7И от энергетического разброса ионов.
Промышленные установки для ионной имплантации. При обработке ионным
пучком полупроводниковой пластины ее необходимо облучать равномерно.
Этого можно достичь двумя способами.
При первом способе диаметр ионного пучка, облучающего поверхность об-
разца, больше диаметра образца, при этом распределение плотности ионного
тока по образцу должно быть равномерное. В этом случае используют дефоку-
сирующую линзу. При втором способе диаметр пучка делают малым, а затем
сканируют его по поверхности образца. Для этого используют систему фоку-
сирующих линз. Данный способ позволяет не только равномерно обрабатывать
пластины, но и направлять пучок в нужную ее часть.
На рис. 6.29 показаны различные схемы построения установок для ионной
имплантации, отличающиеся взаимным расположением функциональных эле-
ментов. В зависимости от расположения элементов ускорения ионного пучка
относительно сепаратора масс все системы ионной имплантации можно разбить
на три группы.
Установки ионной имплантации, относящиеся к первой группе
(рис. 6.29, а — а), осуществляют ускорение уже отсепарированного изотопно
чистого ионного пучка. Эта группа установок ионной имплантации предназна-
чена для работы с высокоэнергетическими пучками с энергией ионов более
100 кэВ.
Во второй группе установок ионной имплантации ускоритель расположен
между ионным источником и сепаратором, т. е. ускоряется несепарированный
пучок (рис. 6.29, д — ж). Поскольку в этом случае производится сепарация
ионного пучка, уже предвари-
тельно ускоренного до заданной
максимальной энергии, установ-
ки, построенные по такой схе-
ме, используются, как прави-
ло, для работы с энергиями до
100 кэВ.
К третьей группе относят
установки с комбинированным
ускорением как несепарирован-
Рис. 6.29. Схемы построения
установок ионной имплантации
с ускорением сепарированного
пучка (а—г), с ускорением не-
сепарированного пучка (д—ж)
и с комбинированным ускоре-
нием (з):
1 — ионный источник; 2 — сепара-
тор масс; 3 — приемная камера;
4 — ускоритель; 5 — система фоку-
сировки; 6, 7 — устройства скани-
рования
252
Рис. 6.30. Установка имплантации
с повышенной энергией ионов «Ве-
зувий-9»:
1 — ионный источник; 2 — масс-сепаратор;
3 — корректирующие пластины; 4 — оди-
ночная электростатическая линза; 5 — ва-
куумный затвор; 6 — заливная азотная
ловушка; 7 — ускорительная трубка; 8 —
магнитная ловушка электронов, 9 — ци-
линдр Фарадея; 10 — устройство контроля
юстировки ионного пучка; 11 — подав-
ляющий электрод; 12 — приемная камера;
13 — контейнер с обрабатываемыми пла-
стинами; 14 — лучевой нагреватель; 15 —
привод механического сканирования кон-
тейнера; 16 — обрабатываемые полупро-
водниковые пластины
него, так и сепарированного ионного
пучка. В этом случае используются
два ускорителя (рис. 6.29, з); рас-
положенные после ионного источни-
ка и перед приемной камерой, что по-
зволяет получать пучок с высокой
энергией за счет его предваритель-
ного ускорения до энергии 100 кэВ
перед сепарацией масс и финишного
ускорения до заданной максимальной
энергии.
Отечественной промышленностью
выпускаются промышленные установ-
ки типа «Везувий». Установка «Везувий-8» предназначена для имплантации боль-
ших доз ионов с массой до 200 а. е. и током миллиамперного диапазона (2...
...5 мА) при энергии до 100 кэВ в производстве ИС на пластинах диаметром
76, 100 и 150 мм. Предусмотрена возможность работы установки в двух режи-
мах: полуавтоматическом (с участием оператора) и автоматическом (от внеш-
ней управляющей ЭВМ). «Везувий-9» (рис. 6.30) имеет расширенный диапазон
энергии ионов и предназначен для использования ионной технологии в новых
классах приборов микроэлектроники, не допускающих высокотемпературных
обработок. Повышение энергии ионов на установке достигается за счет исполь-
зования двух- и трехзарядных ионов. Ионный инжектор находится под потен-
циалом 4-300 кВ, приемное устройство — под потенциалом — 300 кВ Таким
образом, суммарное ускоряющее напряжение на установке равно 600 кВ. Мак-
симальная энергия двухзарядных ионов составляет 1,2 мэВ, трехзарядных —
1,8 мэВ.
Для получения многозарядных ионов легирующей примеси используется
источник дугового типа с катодом косвенного накала, с извлечением ионов
поперек магнитного поля. Установка комплектуется сменными источниками, по-
зволяющими получать следующие значения ионных токов: до 600 мкА (двух-
зарядные ионы фосфора, мышьяка, сурьмы); до 100 мкА (двухзарядные ионы
бора); до 150 мкА (трехзарядные ионы фосфора, мышьяка, сурьмы).
Технические характеристики установки ионной имплантации типа «Везу-
вий» приведены в табл. 6.3.
Уникальный по своим параметрам эмиттер представляет собой лазерная
плазма, которая может быть использована при создании источника ионов и
установки для целей ионной имплантации материалов. К основным параметрам
лазерной плазмы как эмиттера ионов необходимо отнести широкий энергетиче-
ский спектр ионов (несколько сотен электронвольт, практически изотропное уг-
ловое распределение ионов, частотный характер эмиссии ионов, высокие плот-
ности ионного тока, высокую чистоту получаемых ионных пучков, большую
яркость ионного источника).
253
Таблица 6.3. Техническая характеристика установок ионной
имплантации типа «Везувий»
Показатель „Везувий-1“ „Везувий-ЗМ“ „Везувий-8“ пВезувий-9“
Диапазон энер- гии ионов 200 кэВ 15... 150 кэВ 10... 100 кэВ 1,2 мэВ для двухзарядных ионов, 1,8 мэВ для трехзаряд- ных ионов
Виды легирую- щих ионов в+, Р+ В+, Р+, Zn+, В+, Р+, As+, As+ Zn+, Sb+ В++, Р++, As++, Sb++, Р+++, As+++, Sb+++
Ток ионного пучка:
В+ Р+ As+ Zn+ Sb+ В++ р++ As++ Sb++ P + 4-+ As++ + Sb+++ 20 200 мкА мкА 300 мкА 1000 мкА 300 мкА 300 мкА 2 мА 5 мА 2 мА 2 мА 2 мА 100 мкА 600 мкА 600 мкА 600 мкА 150 мкА 150 мкА 150 мкА
Производитель- ность для пла- стин диаметром 76 мм при до- зе:
6,25-1015 см“2 1-1014 см-2 400 шт./ч 100 шт./ч
Неоднородность дозы импланта- ции 2% 2%
Режим обра- ботки Групповой Механический
Сканирование по оси:
X У Механическое Электрическое Механическое Электрическое Механическое Электрическое
Температура подогрева ле- гируемых пла- стин встроен- ными нагрева- телями 673 К
254
Окончание табл. 6.3
Показатель .Везувий-1* .Везувий-ЗМ“ .Везувий-8* .Везувий-9*
6,5 10’*
6,5-10’*
6,5-10’*
Давление в ва-
куумной систе-
ме, Па
Число одновре-
менно закла-
дываемых в ка-
меру пластин
диаметром, мм:
75
100
150
Диапазон изме-
рения дозы им-
плантации
96
54
24
1О1О...1О,в
ион/см3 * * * *
54
36
Схема разработанной установки для ионной имплантации с лазерно-плаз-
менным источником ионов (ЛПИИ) представлена на рис. 6.31. Она состоит из
лазера 7, вакуумной камеры 2, оптического ввода и системы линз 5, мишени 4,
укрепленной на подвижной площадке 5, системы управления движением пло-
щадки 6, расположенной за вакуумной камерой, ионизационной камеры 7, от-
верстие которой закрыто мелкоструктурной сеткой 8, вытягивающего электрода
(одноэлектродная линза Р), системы крепления легируемого образца 10, системы
контроля набора дозы 11, состоящей из цилиндра Фарадея, осциллографа или
интегратора, системы откачки 12.
В установке использован лазер ЛТИ-5 на иттрий-алюминиевом гранате, ак-
тивированном Nd, с импульсной накачкой и модулируемой добротностью. Пара-
метры излучения лазера: % — длина волны излучения (1,06 мкм), W— макси-
мальная энергия в импульсе (20-10’2 Дж), т — длительность импульса (10~8 *с),
Ф — угловая расходимость излучения (3-10’3рад), ДР — флуктуация выход-
ной мощности (10%), F — частоты следования импульсов (12,5; 25; 50; 100 Гц).
Плотность подвижной площади и соответственно мишени может устанав-
ливаться под разными углами к оси мишень — образец. Площадка должна пе-
ремещаться с такой скоростью, чтобы кратеры от каждого импульса лазера
на мишени не перекрывались.
Рис. 6.31. Схема установки
для ионной имплантации о
л азерно-плазменным источ-
ником ионов
255
Мишень с площадкой и ионизационная камера находятся под ускоряющим
потенциалом, который можно плавно менять от нуля до 80 кВ. Ускорение ионов
происходит в промежутке между сеткой и вытягивающим электродом. Вытя-
гивающий электрод и легируемый образец находятся под нулевым потенциа-
лом. Это обеспечивает широкие возможности для манипуляций с легируемой
подложкой (нагрев, охлаждение, перемещение, вращение).
Установка работает следующим образом. Излучение лазера проходит через
кварцевый оптический ввод в вакуумную камеру, откачанную до 1,33-(10~3...
10-5) Па, и через систему линз, которая фокусирует лазерное излучение и обес-
печивает плотность падающего излучения на мишени 5-(1О8...1О10) Вт/см2. Фо-
кусное расстояние системы линз выбирают обычно в пределах 3...10 см. Зная
расходимость лазерного излучения (р, энергию в импульсе W, длительность
импульса лазерного излучения т, легко оценить диаметр пятна лазерного излу-
чения на мишени по формуле d=fq>, где f — фокусное расстояние системы линз,
и плотность лазерного излучения на мишени по формуле Р = 4IF/ict/2T.
Необходимую плотность падающего на мишень излучения (порядка
109 Вт/см2) обеспечивают твердотельные лазеры с модулированной доброт-
ностью. Энергия лазерного излучения контролируется с помощью стандартного
измерителя ИКТ-2.
Плотность лазерного излучения на мишени в пределах 5-(1О8...1О10) Вт/см2
обеспечивает начальную ионизацию любых материалов, включая тугоплавкие.
Лазерное излучение не вносит загрязнений в лазерную плазму; кроме того,
не происходит разогрева ионизационной камеры и других частей установки, что
обеспечивает чистоту ионного пучка, определяемого лишь чистотой исходного
образца. Чистоте процесса имплантации способствует малое расстояние, про-
ходимое ионом до внедрения (0,2...0,5 м). Мелкоструктурная сетка также не
вносит загрязнений в ионный пучок.
Величина ионного тока, которую можно получить на установке для ионной
имплантации, является важным параметром. Особенностью установки с ЛПИИ
является импульсный характер ее работы.
В режиме параллельного пучка длительность импульса тока на полувысоте
0 зависит от геометрии источника и мощности падающего на мишень лазерного
излучения и обычно составляет 5... 15 мкс. Частота следования ионных импуль-
сов F равна частоте следования импульсов лазерного излучения. Значение мак-
симального тока /щах достигает в импульсе нескольких сотен миллиампер. Сред-
ние по времени значения токов определяют по формуле I=ImaxFQ.
Средние по времени значения токов для различных элементов при частоте
следования импульсов лазерного излучения 100 Гц, 0 = 5 мкс, £=109 Вт/см2
приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4. Средний ток, мкА, для различных элементов
при импульсном лазерном легировании
Эле- мент Значение Эле- мент Значение
А1 70 Cr 75
Си 65 С 65
Ag 75 Zr 72
Zn 60 P 50
W 62 Mo 75
Pb 60 Ta 65
Si 76
Разброс значений средних токов обусловлен слабой зависимостью мгновен-
ных токов от типа ионизируемого вещества.
256
6.5. Ионная имплантация как технологический прием
при создании
Рис. 6.32. Зависимость толщины маскирую-
щего слоя, задерживающего 99,9% ионов
бора (7), фосфора (2) и мышьяка (5), с
энергией 100 кэВ от типа маскирующего
материала
Применение ионной имплантации в ди-
апазоне энергий 10... 100 кэВ и доз
1О11...1О18 см-2 позволяет создавать широ-
кую гамму различных дискретных прибо-
ров и микросхем. Режим ионной имплан-
тации технологически характеризуется
параметрами: энергией ионов, плотностью
тока в пучке на поверхности пластин,
дозой имплантируемых' ионов и временем
экспозиции, ориентацией образца по отно-
шению к пучку, термическим состоянием
пластин и уровнем стерильности, определя-
емым давлением и спектром остаточных газов в ионном тракте и приемной
камере, а также материалом и конструкцией держателей пластин. На рис. 6.32
схематически показана связь этих параметров с характеристиками изделий к
режимами последующих обработок изделий
Энергия ионов 8 = veZ7, где v — кратность ионизации атома; е — заряд элект-
рона; U — ускоряющее напряжение, определяет глубину их проникновения в
материал мишени (Rp) и характер распределения остановившихся атомов по
толщине пластины.
Доза имплантации Ф=// (в единицах заряда или в количестве ионов на
1 см2) отражает поверхностную концентрацию легирующей примеси и при конк-
ретном виде термообработки определяет электрофизические свойства ионно-
имплантированных слоев. Доза имплантации примеси существенно влияет на
скорость окисления ионно-имплантированных слоев. В табл. 6.5 приведены ре-
жимы окисления кремния во влажном кислороде при легировании элементамв
III и V групп.
Таблица 6.5. Режимы окисления кремния во влажном кислороде
при легировании элементами III и V групп
Легирующий элемент Доза, ион см2 Энергия ионов, кэВ Режим окисления Толщина окисла, нм
Г, К | /, мин
Мышьяк 2-10|в 200 1123 30 240
1,0-10"> 200 1123 162 410
1,0 101» 200 1193 48 250
1,0- 101в 200 1273 21 240
Сурьма 1,2- 101в 80 1123 20 132
Галлий 1,2 101» 80 1123 60 165
Скорость окисления зависит от уровня легирования и дефектности ионно-
импЛантированного слоя. Ее следует учитывать при формировании микрорелье-
фа, необходимого для совмещения в процессах фотолитографии. Плотность тока
в пучке j=nvve, где п — число ионов в единице объема пучка; у —скорость
ионов; Л4— масса ионов; v — кратность ионизации атомов, опре-
17 Заказ № 1270
257
Рис. 6.33. Зависимость максимальной толщины маски от энергии Е падаю-
щего пучка ионов:
а * SiaN*; б — SiO2; в — фоторезист KTER
деляет предельную производительность ионно-лучевой установки при заданных
размерах приемной камеры.
Увеличение тока при постоянной энергии ведет к появлению термических
ударов и, как следствие, к генерации полос дислокационных сеток. Отводят
тепло от пластин теплоотводящим контактом их с держателем или рассеиванием
его через излучение. Интенсивность нагрева пластин зависит от массы ионов.
Температура пластин, облучаемых легкими ионами, выше, чем при облучении
тяжелыми ионами при той же плотности «внедряемой» энергии.
Совмещенный с имплантацией подогрев пластин обеспечивает отжиг радиа-
ционных нарушений. Нагрев кремниевых подложек во время имплантации до
температуры 773...873 К приводит к получению совершенной кристаллографиче-
ской структуры ионно-имплантированного слоя. При более высоких темпера-
турах (вплоть до 973 К) кристаллографическая структура слоя ухудшается
Подогрев пластин во время имплантации («горячая» имплантация) влияет
и на распределение примеси по глубине. Совершенная кристаллографическая
структура в течение всего процесса набора дозы является условием постоян-
ного каналирования ионов в течение всего времени имплантации. Профиль кон-
центрации примеси при этом оказывается растянутым в глубь пластины. Кроме
каналирования при «горячей» имплантации профиль примеси деформируется ра-
диационно-стимулированной диффузией и процессами синтеза комплексов и
химических соединений. Так, при имплантации ионов азота (или углерода) крем-
ниевые подложки нагреваются до 1073 К, в них одновременно происходит син-
тез нитрида (или карбида) кремния. Процесс синтеза связывает примесные
атомы, уменьшая на несколько порядков их эффективный коэффициент диф-
фузии.
Ориентация подложек существенно определяет глубину проникновения ио-
нов при имплантации, кроме того, слои различной кристаллографической ори-
ентации аккумулируют различное количество примесей.
При ионной имплантации применяются металлические маски из Mo, А1,
диоксида кремния, фоторезистов и других материалов, которые выдерживают
дозы ионов не менее 10й см~2. Некоторые характеристики типичных материа-
лов для масок показаны на рис. 6.33. По приведенным данным можно
сравнить толщины маскирующих слоев различных материалов, поглощающих
99,9% падающих ионов.
6.6. Методы исследования ионно-легированных слоев
При управлении характеристиками ионно-легированных слоев необходима
информация об их химическом элементном составе, электронном состоянии ато-
мов, распределении дефектов и кристаллической структуре решетки Для ис-
следования физико-химических свойств поверхности твердых тел используют:
258
Рис. 6.34. Методы для исследования ионно-легированных слоев полупроводников
метод резерфордовского обратного рассеяния частиц (ОРЧ), оже-электронную
спектроскопию (ОЭС), электронную спектроскопию для химического анализа
(ЭСХА), вторичную ионную масс-спектроскопию (ВИМС), ионный микроанализ
(ИМА), рентгеновскую трехкристальную дифрактометрию (РТД), внешний фо-
тоэффект (ВФ) и рентгеновскую флуоресценцию (РФ) при брегговской дифрак-
ции. Применяют также электрофизические методы: инфракрасную спектроско-
пию (ИКС), электронно-парамагнитный резонанс (ЭПР), просвечивающую элект-
ронную микроскопию (ПЭМ), электронографию (ЭГ), дифракцию медленных
электронов (ДМЭ).
На рис. 6.34 представлен комплекс методов исследования ионно-легирован-
ных слоев полупроводников.
Методы количественного анализа поверхностных слоев. Для исследования
количественного состава поверхностных слоев толщиной в несколько сотен на-
нометров необходим послойный анализ и соответственно послойное стравлива-
ние. Использование для этих целей методов анализа поверхности связано с раз-
рушением образца. Основные параметры методов приведены в табл. 6.6, где
s — объемная чувствительность; г — глубина сбора информации; d — диаметр
исследуемой области; /500 — время исследования слоя толщиной 500 нм; Е —
диапазон анализируемых энергий; М — диапазон анализируемых масс; —
энергетическое разрешение; М/ЬМ — разрешение по массе.
Таблица 6.6. Параметры методов количественного анализа поверхностных слоев *
Метод 5 Г, нм d, см *500» мин Е, эВ М ЬЕ, эВ М/ДМ
ОЭС ЭСХА ВИМС ИМА * Числе 10-3...10-4 0.5...3.0 <10~3 30 0...2000 10 1О-2...1О-4 3,0 >10-‘ 500 0...1300 0,5 ю—‘...10-8 <5,0 ю-1 10...15 1...200 3000 10-4...10-8 <5,0 <10-3 1...15 1...200 3000 > атомов на единицу, объема примеси принято за 10м атом/см3.
В табл. 6.7 приведены значения чувствительности методов ОЭС, ЭСХА и
ВИМС для В, Р и As в кремнии. В настоящее время это единственный метод,
который позволяет исследовать распределение легирующих и загрязняющих эле-
ментов практически на всех уровнях легирования, представляющих интерес в
технологии полупроводниковых приборов.
Однако интерпретация результатов, полученных методом ВИМС, может
быть затруднена из-за флуктуаций коэффициента вторичной ионной эмиссии.
17* 259
Таблица 6.7. Количество примесей В, Р и As
(в атомные доли), обнаруживаемое в кремнии методами
ОЭС, ВИМС и ЭСХА
Примесь ОЭС ВИМС ЭСХА
В ю-3 10—8 10-2
р ю-3 10-5 ю-2
As 10-2 ю-4 10~4
Методы ОЭС и ЭСХА обладают преимуществом, обусловленным однозначным
соответствием концентрации уровню сигнала. В связи с этим для проведения
послойного количественного анализа оптимальным является сочетание методов
ВИМС, ОЭС и ЭСХА, которое позволяет с достаточно высокой чувствительно-
стью перекрыть весь диапазон легирующих примесей.
При проведении послойного анализа в каждом из перечисленных методов
используют травление поверхности ионами инертных газов (чаще всего Аг+)
с энергией 1...5 кэВ и плотностью тока 100... 1000 мкА/см2. Процесс ионного
травления сопровождается интенсивным дефектообразованием, однако порог
дефектообразования в большинстве твердых тел не превышает 10...20 эВ.
Кроме этого доза облучения поверхности ионами инертных газов при ис-
пользуемых токах на много порядков превышает обычно применяемые дозы ион-
ного легирования. Количественный состав анализируемых слоев при таком ин-
тенсивном воздействии может изменяться на десятки и даже сотни процентов,
что совершенно необходимо учитывать при проведении количественного послой-
ного анализа.
Методы определения профиля радиационных нарушений кристаллической
решетки полупроводника. Достаточную информацию о параметрах ионно-леги-
рованных слоев можно получить методами резерфордовского обратного рассея-
ния частиц Н+ или Не+ (ОРЧ), рентгеновской трехкристальной дифрактомет-
рии (РТД), внешнего фотоэффекта при брегговской дифракции (ВФ), просве-
чивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и электронографии (ЭГ). Основные
параметры перечисленных методов приведены в табл. 6.8, где $ — чувствитель-
ность (для РТД И ВФ 5 = £деф/^экст И «=£деф/^эл COOTBeTCTBeHHO); £деф—тол-
щина нарушенного слоя; L3KCT — характерная глубина формирования рентгенов-
ского изображения; £эл — характерная глубина формирования электронного
изображения; \а/а — чувствительность к деформации решетки; d — диаметр
исследуемой области; t — время анализа одного образца.
Таблица 6.8. Основные параметры методов исследования
радиационных нарушений
Метод $ ^деф» мкм ^экст > мкм ^ЭЛ > мкм ^’СМ /, мин
ОРЧ 1О-2...1О-4 >0,03 10-1 10
РТД ю-2 >0,1 10”® 1...10 — 10-1 10...30
ВФ 10-2 >0,01 10~3 — 0,1...! 10-' 10...30
ПЭМ — — 10"4 0,01 — 10-7 10...30
ЭГ — <0,01 >10~4 0,01 <0,01 >10-4 10
ДМЭ 10-2 <0,001 ю-4 — <0,001 10-4 30
Примечание. Для методов ОРЧ, РТД, ВФ и ДМЭ обязателен эталон; для методов
ПЭМ, ЭГ и ДНЭ необходима специальная подготовка образца.
Методы определения положения внедренных атомов в кристаллической ре-
шетке. Целью большинства исследований по ионному внедрению является вве-
260
дение в кристаллическую решетку примесных атомов, которые должны зани-
мать в ней определенные положения (обычно это положение типа замещения).
В связи с этим определение положения примесных атомов в кристаллической
решетке является одной из важнейших проблем в исследовании процесса ион-
ного легирования. Для этой цели используют методы ОРЧ и РФ.
Измерив выход рассеянных частиц в зависимости от ориентации кристалла
относительно падающего пучка (произвольная или параллельная ориентация ка-
кой-либо кристаллографической оси), можно определить число примесных ато-
мов, находящихся в узлах кристаллической решетки или межузлиях.
Кроме метода ОРЧ для определения местоположения примесных атомов
используют метод рентгеновской флуоресценции при брегговском отражении
рентгеновских лучей.
Для выделения данной примеси в решетке матрицы можно использовать
также методику внешнего фотоэффекта с энергоанализом фотоэлектронов
(ВФЭ). Выделение групп фотоэлектронов с определенной энергией (упруго
рассеянных и потерявших часть энергии на неупругие столкновения) позволяет
идентифицировать положение атомов примеси в решетке и менять глубину
выхода фотоэлектронов от нескольких нанометров до долей микрометра, что
позволяет с хорошей чувствительностью исследовать тонкие ионно-легирован-
ные соли Энергоанализ фотоэлектронов можно проводить либо в вакууме с
помощью энергоанализаторов, либо в газовой среде с помощью пропорциональ-
ного счетчика.
Методика РФ, как и методика ФВЭ, требует применения мощных источни-
ков рентгеновского излучения и перехода к большим длинам волн (0,3...0,4 нм).
Методы исследования электрофизических характеристик ионно-легированных
слоев. Измерения эффекта Холла и электропроводности позволяют получить ин-
формацию о значениях удельного сопротивления, концентрации и подвижности
носителей заряда и их распределении. Профили распределения концентрации
определяют из измерений вольт-фарадных характеристик (ВФХ) емкости барье-
ра Шотки, изготовленного на поверхности ионно-легированного слоя или создан-
ного в процессе легирования р — n-перехода, который расположен в ионно-ле-
гированной области.
Определенную информацию можно получить и с помощью методов элект-
ронного парамагнитного резонанса (ЭПР), инфракрасной спектроскопии. Так,
при высокой (1019 см-3) концентрации носителей в ионно-легированном слое
существует плазма свободных носителей, концентрация которых влияет на спектр
поглощения света.
При измерениях вторичного эмиссионного контраста (ВЭК) сопоставление
значений сигналов от легированной и нелегированной областей, обусловленное
наличием в решетке заряженных и нейтральных радиационных дефектов и внед-
ренных примесных ионов, приводит к различию их эмиссионной способности.
Поэтому наиболее целесообразно данный метод применять для изучения характе-
ристик радиационных дефектов и свойств облученных областей после их отжига.
Относительное изменение интенсивности сигналов, полученных от импланти-
рованной /1 и, неимплантированной /2 областей, определяется как С«(/г~4)Д»
где 1 — начальная интенсивность сигнала. Известно, что бомбардировка полу-
проводника тяжелыми частицами вызывает образование дефектов типа обла-
стей разупорядочения (ОР), представляющих собой области, концентрация носи-
телей в которых резко отлична от концентрации носителей в окружающей
матрице. Это приводит к образованию области объемного заряда на границе
между ОР и неповрежденным кристаллом. Сигнал ВЭК с единицы площади
облученной области можно записать как
“Т- [o'm'Sm 4" OopSop + Оопз^опз] ,
^1
где Ом, Оор, Оопз — эмиссионная способность матрицы, отдельной ОР и области
пространственного заряда соответственно, SM, Sop, Son3— площадь соответст-
вующих составляющих облученной области; Sj = (SM4-Sop +5ОПз)—общая пло-
щадь облученной области.
261
Модернизированный растровый электронный микроскоп (РЭМ) в режиме
потенциального контраста (ПК) в состоянии фиксировать Дер«0,01 эВ по сравне-
нию с 1 эВ в стандартном РЭМ. Это означает, что модернизированный РЭМ
позволяет обнаруживать разность в положениях уровней Ферми А/7 в соседних
областях полупроводника, равную ДР=аеД(р = 0,01а (е — заряд электрона, а —
коэффициент пропорциональности, значение которого по экспериментальным
оценкам лежит в интервале 0,5...2).
Относительное различие концентрации в облученной и необлученной об-
ластях
Д/г По—Пф Г Д£ ] Г еаДф '
— = “Т------= 1-ехр Гт” = 1-ехр •
«о По L kT J L Аг/ J
Здесь Дф<0, если суммарная электрическая активность радиационных дефек-
тов и ионов имплантированной примеси противоположна по характеру электриче-
ской активности примеси легирующей мишени; в противном случае Д<р>0. Из-
мерения ПК в модернизированном РЭМ позволяют определять перепад значений
концентрации, когда в соседних участках полупроводника она отличается бо-
лее чем в 1,5...2,2 раза.
Учитывая высокое пространственное разрешение РЭМ (0,05 мкм), измере-
ния ВЭК и ПК представляют уникальную возможность исследовать ха-
рактеристики ионно-легированных областей с размерами, соответствующими
реальным приборным структурам.
Глава 7
Технология тонких пленок
7.1. Термовакуумный метод получения тонких пленок
Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакуу-
ме вещества до температуры испарения, образования пара и конденсации его
на подложке. Поток испарившихся частиц в вакууме образуется, если давление
пара испаряемого материала превышает давление в рабочей камере. Зависи-
мость давления пара испаряемого вещества от температуры нагрева элемента
можно проследить по табл. 7.1. Для нагрева используют электронный луч, ла-
зер, джоулево тепло, высокочастотное поле.
Электронно-лучевое (ЭЛ) испарение. Установка для ЭЛ-испарения
(рис. 7.1) состоит из технологической камеры, системы откачки, тигля с испа-
ряемым материалом, электронной пушки, заслонки для пара и подложки с при-
способлениями для ее крепления и нагрева. При бомбардировке поверхности
испаряемого материала электронным пучком существенная доля кинетической
энергии электронов превращается в тепло и поверхность нагревается до такой
температуры, что становится источником пара. В потоке пара размещают под-
ложку, на которой конденсируется часть пара, т. е. производится напыление.
Рис. 7.1. Принцип электронно-лу-
чевого испарения:
1 — электронная пушка; 2 электрон-
ный пучок; 3 — кожух технологической
камеры; 4 — водоохлаждаемый ти-
гель; 5 — испаряемый материал; 6 —
диафрагма испарителя; 7 — поток па-
ра; 8 — напыленный слой; 9 —под-
ложка; 10 подогреватель подложки
262
Таблица 7.1. Соотношение температуры испаряемого вещества и давления пара твердых и жидких элементов
<чэ
8
Элемент Точка плавления^ К Точка кипения, К Температура, К, при давлениях пара,х133 Па
10-П 10-ю 10“9 10—8 io-7 io—6 ю—5 ю—4 10—3 io—2 ю~1 1 1О1 Ю2
Ас 1320 3470 1045 1100 1160 1230 1305 1390 1490 1605 1740 1905 2100 2350 2660 3030 3510
Ag 1234 2435 721 759 800 847 899 958 1025 1105 1195 1300 1435 1605 1815 2100 2490
Al 932 2736 815 860 906 958 1015 1085 1160 1245 1355 1490 1640 1830 2050 2370 2800
Am 1200 2790 712 752 797 848 905 917 1050 1140 1245 1375 1540 1745 2020 2400 2970
As (s) 1090 886 323 340 358 377 400 423 447 477 510 550 590 645 712 795 900
At 575 610 221 231 241 252 265 280 296 316 338 364 398 434 480 540 620
Au 1336 3081 915 964 1020 1080 1150 1220 1305 1405 1525 1670 1840 2040 2320 2680 3130
В 2360 3850 1335 1405 1480 1555 1640 1740 1855 1980 2140 2300 2520 2780 3100 3500 4000
Ba 983 1895 450 480 510 545 583 627 675 735 800 883 984 1125 1310 1570 1930
Bl 1556 2757 832 878 925 980 1035 1105 1180 1270 1370 1500 1650 1830 2080 2390 2810
Bi 544,5 1852 510 540 568 602 640 682 732 790 860 945 1050 1170 1350 1570 1900
Cs — 4130 1695 1765 1845 1930 2030 2140 2260 2410 2560 2730 2930 3170 3450 3780 4190
Ca 1123 1756 470 495 524 555 590 630 678 732 795 870 962 1075 1250 1475 1800
Cd 594 1040 293 310 328 347 368 392 419 450 490 538 593 665 762 885 1060
Ce 1077 3740 1050 1110 1175 1245 1325 1420 1525 1650 1795 1970 2180 2440 2780 3220 3830
Co 1768 3174 1020 1070 ИЗО 1195 1265 1340 1430 1530 1655 1790 1960 2180 2440 2790 3220
Cr 2176 2938 960 1010 1055 1110 1175 1250 1335 1430 1540 1670 1825 1010 2240 2550 3000
Cs 301,8 955 213 226 241 257 274 297 322 351 387 428 482 553 643 775 980
Cu 1357 2846 855 895 945 995 1060 1125 1210 1300 1405 1530 1690 1890 2140 2460 2920
Dy 1680 2710 760 801 847 898 955 1020 1090 1170 1270 1390 1535 1710 1965 2300 2780
Er 1770 2850 779 822 869 922 981 1050 1125 1220 1325 1450 1605 1800 2060 2420 2920
Eu 1099 1764 469 495 523 556 592 634 682 739 805 884 981 1100 1260 1500 1800
Fr 300 950 198 210 225 242 260 280 306 334 368 410 462 528 620 760 980
Fe 1809 3148 1000 1050 1105 1165 1230 1305 1400 1500 1615 1750 1920 2130 2390 2740 3200
Ga (I) 302,9 2676 755 796 841 892 950 1015 1090 1180 1280 1405 1555 1745 1980 2300 2730
Cd 1585 3000 880 930 980 1035 1100 1170 1250 1350 1465 1600 1760 1955 2220 2580 31QQ
Продолжение табл. 7.1
Элемент Точка плавления, К Точка кипения, К Температура, К, при давлениях пара, х 133 Па
io-н io-ю 10—9 10-8 10—7 10—6 10-5 10—4 10-3 ю-2 10-1 1 10» 10» 103
Ge Hf Hg Но In (Z) Ir К La Li Lu Mg Mn Mo Na Nb Nd Ni Os P(s) Pb Pd Po Pr Pt Au (Z) Ra 1210 3100 940 980 1030 1085 1150 122 1310 1410 1530 1670 1830 2050 2320 2680 3180 2400 4745 1505 1580 1665 1760 1865 1980 2120 2270 2450 2670 2930 3240 3630 4130 4780 234 29 629 73 170 180 190 201 214 229 246 266 289 319 353 398 458 535 642 1734 2842 779 822 869 922 981 1050 1125 1220 1325 1450 1605 1800 2060 2410 2010 429 3 2364 641 677 716 761 912 870 937 1015 1110 1220 1355 1520 1740 2030 2430 2727 4810 1585 1665 1755 1850 1960 2080 2220 2380 2560 2770 3040 3360 3750 4250 4900 336,4 1031 247 260 276 294 315 338 364 396 434 481 540 618 720 858 1070 1193 3610 1100 1155 1220 1295 1375 1465 1570 1695 1835 2000 2200 2450 2760 3150 3680 453,69 1597 430 452 480 508 541 579 623 677 740 810 900 1020 1170 1370 1620 1925 3300 1000 1060 1120 1185 1260 1345 1440 1550 1685 1845 2030 2270 2550 2910 3370 923 1376 388 410 432 458 487 519 555 600 650 712 781 878 1000 1170 1400 1517 2309 660 695 734 778 827 884 948 1020 1110 1210 1335 1490 1695 1970 2370 2890 4924 1610 1680 1770 1865 1975 2095 2230 2390 2580 2800 3060 3390 3790 4300 5020 370,98 1156,2 294 310 328 347 370 396 428 466 508 562 630 714 825 978 1175 2770 4640 1765 1845 1935 2035 2140 2260 2400 2550 2720 2930 3170 3450 3790 4200 4710 1297 3335 846 895 945 1000 1070 1135 1220 1320 1440 1575 1770 2000 2300 2740 3430 1725 3159 1040 1090 1145 1200 1270 1345 1430 1535 1655 1800 1970 2180 2430 2770 3230 3318 5260 1875 1965 2060 2170 2290 2430 2580 2760 2960 3190 3460 3800 4200 4710 5340 870 704 283 297 312 327 342 361 381 402 430 458 493 534 582 642 715 600,6 2016 516 546 580 615 656 702 758 820 898 988 1105 1250 1435 1700 2070 1823 3310 945 995 1050 1115 1185 1265 1355 1465 1590 1735 1920 2150 2450 2840 3380 527 1220 332 348 365 384 408 432 460 494 537 588 655 743 862 1040 1250 1208 3295 900 950 1005 1070 1140 1220 1315 1420 1550 1700 1890 2120 2420 2820 2270 2043 4097 1335 1405 1480 1565 1655 1765 1885 2020 2180 2370 2590 2860 3190 3610 4170 913 3508 931 983 1040 1105 1180 1265 1365 1480 1615 1780 1975 2230 2550 2980 3590 973 1800 436 460 488 520 552 590 638 690 755 830 920 1060 1225 1490 1840
Окончание табл. 7.1
Элемент Точка плавления, К Точка кипения, К Температура, К, при давлениях пара,X133 Па
1Q—11 ю—10 10“9 io—8 10~7 ю-б 10“5 10“4 10~3 IO”2 ю—1 1 10» 109 Ю3
Rb Re Rh Ru S Sb Sc Se Si Sm Sn (/) Sr Ta Tb Tc Те Th Ti T1 Tm U V W Y Yb Zn КЭ о СЛ 312 974 227 240 254 271 289 312 336 367 402 446 500 568 665 802 1000 3453 5960 1900 1995 2100 2200 2350 2490 2660 2860 3080 3340 3680 4080 4600 5220 6050 2239 4000 1330 1395 1470 1550 1640 1745 1855 1980 2130 2310 2520 2780 3110 3520 4070 2700 4392 1540 1610 1695 1780 1880 1990 2120 2260 2420 2620 2860 3130 3480 3900 4450 388 36 717 75 230 240 252 263 276 290 310 328 353 382 420 462 519 606 739 903 1908 477 498 526 552 582 618 656 698 748 806 885 1030 1250 1560 1960 1811 3280 881 929 983 1045 1110 1190 1280 1380 1505 1650 1835 2070 2370 2780 3360 490 952 286 301 317 336 356 380 406 437 472 516 570 636 719 826 972 1685 3418 1090 1145 1200 1265 1340 1420 1510 1610 1745 1905 2090 2330 2620 2990 3490 1345 2076 542 573 608 644 688 738 790 853 926 1015 1120 1260 1450 1715 2120 505 2891 805 852 900 955 1020 1080 1170 1270 1380 1520 1685 1885 2140 2500 2960 1043 1640 433 458 483 514 546 582 626 677 738 810 900 1005 1160 1370 1680 3270 5510 1930 2020 2120 2230 2370 2510 1680 1860 3080 3330 3630 3980 4400 4930 5580 1638 3295 900 950 1005 1070 1140 1220 1315 1420 1550 1700 1890 2120 2420 2820 3370 2400 4900 1580 1665 1750 1840 1950 2060 2200 2350 2530 2760 3030 3370 3790 4300 5000 723 1267 366 385 405 428 452 482 515 553 596 647 706 791 905 1065 1300 1968 5020 1450 1525 1610 1705 1815 1935 2080 2250 2440 2680 2960 3310 3750 4340 5130 1940 3575 1140 1200 1265 1335 1410 1500 1600 1715 1850 2010 2210 2450 2760 3130 3640 577 1710 473 499 527 556 592 632 680 736 803 882 979 1100 1255 1460 1750 1873 2005 624 655 691 731 776 825 882 953 1030 1120 1235 1370 1540 1760 2060 1404,5 4090 1190 1255 1325 1405 1495 1600 1720 1855 2010 2200 2430 2720 3080 3540 4180 2190 3652 1235 1295 1365 1435 1510 1605 1705 1820 1960 2120 2320 2560 2850 3220 3720 3650 5800 2050 2150 2270 2390 2520 2680 2840 3030 3250 3500 3810 4180 4630 5200 5900 1773 3570 1045 1100 1160 1230 1305 1390 1490 1605 1740 1905 2105 2355 2670 3085 3650 1097 1800 436 460 488 520 552 590 638 690 755 830 920 1060 1225 1490 1840 692,7 1184 336 354 374 396 421 450 482 520 565 617 681 760 870 1010 1210 2128 4747 1500 1580 1665 1775 1855 1975 2110 2260 2450 2670 2930 3250 3650 4170 4830
Рис. 7.2. Принципы электронно-лучевого испарения сплавов:
а — смешение в паровой фазе раздельным испарением компонент А и В\ б — испарение
из общего расплава с непрерывной подпиткой;
I — тигель с компонентой Д; 2 тигель с компонентой В\ 5 — подложка; 4 — напыленный
слой; 5 — поток пара; 6 — электронный пучок; 7 — расплав; 8 — кольцевой тигель;
9 — твердый штабик из испаряемого сплава
При прямом нагреве температура испаряемой поверхности самая высокая,
поэтому испарение материала проводят из водоохлаждаемых тиглей, обеспечи-
вающих также испарение химически высокоактивных и тугоплавких материалов.
Испарение элементов. Скорость испарения, т. е. масса испаряюще-
гося о единицы поверхности за единицу времени вещества, нагреваемого в вы-
соком вакууме, определяется уравнением Ленгмюра Она возрастает с темпе-
ратурой поверхности испарения приблизительно экспоненциально. Для обеспече-
ния скоростей испарения в пределах 10“б... 10~2 г*см“2*см"1 процесс испарения
следует вести из жидкой (расплавленной) фазы. Однако в этом случае необхо-
димо учитывать, что загрязнения, плотность которых меньше плотности рас-
плава, всплывают и частично покрывают поверхность, снижая скорость испаре-
ния. Это явление устраняется, если загрязнения имеют высокое давление пара
или термически разлагаются или если пар способен диффундировать сквозь слой
загрязнений.
Испарение сплавов проводят при много- или однотигельном испарении
(рис. 7.2). При многотигельном испарении (а) компоненты испаряются отдель-
но, каждая из своего тигля, а конденсируются на подложке совместно. При од-
нотигельном испарении (б) поток пара требуемого состава создается и конден-
сируется при непрерывной добавке дополнительного материала в основной.
В другом варианте однотигельного испарения из тигля с большим количеством
расплавленного вещества процесс испарения осуществляют покомпонентно, из-
меняя мощность подогрева по определенному графику.
Распространение пара. Поток пара из испарителя характеризуется
пространственным распределением плотности Ф(а) (характеристикой испарите-
ля). С ее помощью при заданном расположении испарителя относительно под-
ложки можно рассчитать ожидаемое при конденсации распределение толщины
слоя.
При бестигельном испарении расплавленной капли источник пара —точеч-
ный и Ф(a) «const. Плотность потока пара, исходящего из плоского элемента
поверхности, описывается уравнением
Ф(а) «Ф0со8 (а), (7.1)
где Ф(а) — плотность потока в направлении, составляющем е нормалью к по-
верхности угол а; Фо —его плотность при а«0.
Испаритель, у которого размеры поверхности испарения малы по сравне-
нию с расстоянием от этой поверхности до подложки, называется испарителем
с малой поверхностью. В первом приближении для него справедливо выражение
(7.1). При больших размерах поверхности испарения или если источники пара
распределены по поверхности испарителя, распределение плотности потока в про-
266
Рис. 7.3. Влияние формы поверхно-
сти испарения реальных испарите-
лей с малой поверхностью на рас-
пределение плотности потока пара:
«—образование выпуклой поверхности
испарения под действием поверхностного
натяжения испаряемого материала; б —
ограничение распространения пара стен-
ками тигля при недостаточном заполне-
нии тигля материалом; в — образование
вогнутой поверхности испарения вследст-
вие местного повышения давления пара;
г—образование облака пара, играющего
роль источника пара вместо поверхности
испарения
Рис. 7.4. Распределение плотности
потока пара из испарителя с малой
поверхностью мощностью 5 кВт.
Испарение из водоохлаждаемого тигля;
скорость испарения «у=0,4 г/мин; 1 —•
результаты измерений; 2 — распределение
типа cos а; 3 — распределение типа
cos2 а; 4 — распределение типа соз3 а;
Ф(а)— плотность потока в направлении,
составляющем с нормалью к подложке
угол а; Фо — плотность потока при а=0
странстве рассчитывают, суммируя характеристики отдельных испарителей с ма-
лой поверхностью или элементов поверхности испарения.
Некоторые факторы вызывают у ЭЛ-испарителей отклонения характеристи-
ки от простого распределения по гармоническому закону косинуса (рис. 7.3).
Пространственное распределение плотности потока пара, создаваемого реаль-
ным испарителем с малой поверхностью, описывается функцией
Ф(а) — Ф0созп(а),
(7.2)
где п>1.
Для ЭЛ-испарителей при невысоких скоростях испарения уравнение (7.2)
описывает распределение плотности потока пара достаточно точно, если углы
а не превышают 30°. На рис. 7.4 приведена диаграмма распределения плотности
потока пара ЭЛ-испарителя мощностью 5 кВт. В пределах угла а=30° справед-
ливо уравнение (7.2) при п«2,5. С возрастанием скорости испарения увеличи-
вается деформация поверхности испарения и показатель п растет.
Характеристика испарителя с влиянием парового облака (см. рис. 7.3, г)
наиболее точно учитывается функцией косинуса высшего порядка в следующем
выражении:
(Фгв \
1— --- COSn а+Фгз,
Фо /
где Фг5 — изотропная составляющая плотности потока пара, которая при невы-
соких скоростях испарения зависит от скорости, а при значительных скоростях
приближается к постоянному значению.
Испарительные устройства и их реализация. Электронно-
лучевые испарители состоят из электронной пушки и тигля. Часто их дополняют
приспособлением для подпитки расплава в тигле исходным материалом. Приме-
ры ЭЛ-испарителей приведены на рис. 7.5. Катод расположен вблизи испаряе-
267
6)
Рис. 7.5. Электронно-лучевые испарители:
а —с линейным катодом и электростатической фокусировкой; б — с кольцевым катодом
и электростатической фокусировкой; в — с аксиальной пушкой и длиннофокусной элек-
тростатической фокусировкой; г— с кольцевым катодом, электростатическими фокуси-
ровкой и отклонением пучка; д — с аксиальной пушкой, магнитными фокусировкой и
поворотом пучка на 90°; е — с плосколучевой пушкой и магнитным поворотом пучка
на 100°; / — катод; 2— электрод под потенциалом катода; 3 — электронный пучок; 4 —
поток пара; 5 — испаряемый материал; 6 — водоохлаждаемый тигель; 7 — управляющий
электрод; 8—анод; 9— магнитная линза; 10 — поперечное магнитное поле; // — кольцевой
электрод; 12 — кольцевой катод
мого материала или тигля. Под действием ускоряющего напряжения между ка-
тодом и тиглем пучок электронов устремляется на испаряемый материал.
Управляющий электрод находится под потенциалом катода и служит для фоку-
сировки электронного пучка. Если катод кольцевой, то и управляющему элект-
роду придают форму кольца, концентрически охватывающего тигель.
Анод, размещенный между тиглем и управляющим электродом с катодом,
формирует электронный пучок, который направляют на испаряемый материал
отвесно или под углом к поверхности. Чтобы при больших расстояниях между
пушкой и тиглем получить пучок малого диаметра и тем самым нужную удель-
ную поверхностную мощность на поверхности испаряемого материала, исполь-
зуют длиннофокусные генераторы электронных пучков. Фокусировку пучка осу-
ществляют также с помощью магнитных линз.
Тигли служат для размещения в них испаряемого материала. Их изготов-
ляют из материала с низкой упругостью пара и химической инертностью к ис-
паряемым материалам и газам в технологической камере при высокой
температуре. Применяют водоохлаждаемые либо горячие тигли с водяным ох-
лаждением и керамическими вставками (рис. 7.6). Известны медные водоох-
лаждаемые тигли. Высокая теплопроводность меди допускает больше пере-
268
Рис. 7.6. Типы тиглей
электронно-лучевых ис-
парителей:
а — медный водоохлаждае-
мый; б—«горячий»; 1 •—
медный водоохлаждаемый
тигель; 2 — поток пара;
3 — электронный пучок; 4—
испаряемый материал; 5 —
тигельная вставка
пады температур на границе между стенкой тигля и испаряемым материалом.
В таких тиглях можно испарять как тугоплавкие вещества (вольфрам при
3000....4000 К), так и химически высокоактивные (титан).
Формы тиглей для испарителей представлены на рис. 7.7, а, б. При испа-
рении из тигля больших количеств материала без разбрызгивания осуществляют
покачивание пучка. Для повышения скорости испарения и равномерности плот-
ности потока пара испарение проводят при непрерывном вращении тигля. По-
стоянная скорость испарения сублимирующих материалов (например, хрома, сте-
кол и других диэлектриков) обеспечивается дополнительным перемещением тиг-
ля относительно качающегося пучка. Для испарения нескольких материалов при
одном электронном пучке используют многотигельные устройства, в которых
отдельные тигли поочередно устанавливают в рабочую позицию, перемещая
их по прямой или окружности (рис. 7.7, в — д), или направляют электронный
пучок поочередно из одного тигля в другой (рис. 7.7, г).
Для исключения загрязнений расплава материалом тигля используют бес-
тигельное испарение (рис. 7.8). В простейшем случае материал испаряется из
жидкой лунки на поверхности массивного слитка. Для сублимирующих мате-
риалов целесообразна форма прутка или штабика, перемещающегося под
пучком. Механическое перемещение испаряемого материала дополняют покачи-
ванием (колебанием) пучка, что устраняет возможность образования кратеров
на поверхности сублимирующего материала. Испарение капель материала ха-
рактеризуется очень низкими скоростями испарения.
Подпитка. Предназначена для пополнения запаса испаряемого материа-
ла в тигле для поддержания постоянства процесса испарения. Может вестись
периодически или непрерывно. При непрерывной подпитке в тигель в единицу
времени подается такое количество материала, которое соответствует скорости
испарения.
Подпитка может производиться при подаче проволоки с помощью зубчатой
пары к тиглю (рис. 7.9, а). Диаметр проволоки и скорости ее подачи задают
скорость подпитки. Проволоку подают в тигель предварительного расплавления,
отделенный от подложки экраном, который защищает ее от брызг расплава
Рис. 7.7. Характерные формы тиглей и блоков тиглей испарителей с малой
поверхностью испарения:
а — простой тигель; б — маятниковый тигель; а—б — блоки тиглей
269
Рис. 7.8. Схемы бестигельного электронно-лучевого испарения:
««—ограниченная лунка расплава в массивном блоке испаряемого материала; б — вра-
щающийся стержень из испаряемого материала (пригодна также для сублимирующих
материалов); в — капля, висящая на торце испаряемого стержня;
Z — поток пара; 2 — электронный пучок; 3 — расплав; 4— испаряемый материал; 5 —
стержень из испаряемого материала, вращаемый в направлении 6 и перемещаемый воз-
вратно-поступательно в направлении 7; 8 — зона уноса материала; 9 — проволока или стер-
жень из испаряемого материала; 10 — капля расплава; // — кольцевой катод с электрон-
ным нагревом; 12 — поток пара
Рис. 7.9. Устройство подачи в тигель испаряемого материала:
/ — магазин с бухтой проволоки; 2 — подающие ролики; 3— направляющее сопло; 4
проволока; 5 — водоохлаждаемый тигель; 6 — расплав; 7 — испаряемый материал в виде
штабика; 8 — бункер питателя с материалом в виде гранул; 9 — вибратор
и загрязнений, испаряющихся в этом тигле при предварительном расплавлении
материала. Проволоку в расплав подают сверху под некоторым углом с его
поверхности, сбоку через стенку или снизу через дно тигля.
Для материала в форме штабиков разработаны кольцевые тигли (рис. 7.9, б).
Стержень из расходуемого материала образует дно, а охватывающее его медное
водоохлаждаемое кольцо — стенки такого тигля. Внутри тигля образуется лунка
расплава. Применяя для такого тигля керамические вставки в виде втулок,
можно по этому принципу реализовать и горячие тигли с непрерывной подпит-
кой. Штабик может быть получен методом сплавления, прессования или спекания,
что обеспечивает подпитку почти всех испаряемых материалов.
Штучные, таблеточные или гранулированные материалы подаются порциями
с помощью вибропитателя (рис. 7.9, в).
Испарение при резистивном нагреве. Для реализации используют нагрева-
тели-испарители поверхностного типа с резистивным нагревом в форме спира-
лей, лент, лодочек, а также испарители тигельного типа с косвенным нагревом,
имеющие как открытый, так и квазизамкнутый объемы. Наиболее часто в тер-
мовакуумном методе применяют испарители из вольфрама; большое распрост-
ранение получили также молибденовые и танталовые испарители. Никель и хро-
мель используются в исключительных случаях.
870
Рис. 7.10. Проволочные испарители
Для изготовления испарителей из вольфрама используют нерекристаллизо-
ванную вольфрамовую проволоку, так как рекристаллизованная проволока, по-
лучаемая в результате нагрева вольфрама при температуре, превышающей
1273 К, очень хрупкая. Перекристаллизованная вольфрамовая проволока обла-
дает гибкостью и легко формуется. Навивку спиралей для испарителей произ-
водят при нагревании вольфрамовой проволоки до 373 К на газовой горелке,
так как при этой температуре гибкость проволоки достигает максимума.
Очистку поверхности вольфрамовых испарителей производят химическим
травлением в 20%-ном растворе гидроокиси калия или натрия с последующей
отмывкой в воде, затем испаритель прокаливают в вакууме.
Испарители с косвенным подогревом могут быть проволочные, ленточные
и специальных конструкций.
Испарение металлов с проволочных нагревателей происходит в телесные
углы вплоть до 4л, с ленточных оно ограничено телесным углом л.
При небольших количествах испаряемого металла и при условии, что ис-
паряемый металл смачивает материал подогревателя, применяются V-образные
(рис. 7.10, а), W-образные (рис. 7.10, б), волнообразные (рис. 7.10, в) и спираль-
ные (рис. 7.10, г) испарители. Испаряемый материал в виде загнутых кусочков
проволок или полосок листового материала насаживается на подогреватель
(рис. 7.10,3). При пропускании тока через подогреватель кусочки испаряемого
материала расплавляются и смачивают подогреватель (рис. 7.10, е, ж)\ при этом
смачивание и поверхностное натяжение удерживают расплавленный металл на
поверхности подогревателя.
При хорошем смачивании материала подогревателя испаренным металлом
происходит некоторое взаимодействие между этими веществами. При испарении
алюминия с тонких вольфрамовых проволок происходит разрушение подогре-
вателя вследствие образования хрупкого сплава, однако, если диаметр проволок
превышает 0,7... 1,0 мм и объем навески алюминия больше, чем количество
испаряемого металла, растворение алюминия не приводит к заметному измене-
нию диаметра подогревателя и его разрушению.
При недостаточном смачивании испаряемым металлом материала подогре-
вателя используют вспомогательную спираль из вольфрамовой или молибдено-
вой проволоки диаметром 0,2...0,25 мм (рис. 7.10,з, и), которую наматывают
на подогреватель с шагом 1,5...2 мм.
На рис. 7.10, к изображен линейный испаритель в виде толстой проволоки
вольфрама или молибдена (0=1,5...2 мкм и более), на которую с шагом 1,5...
2 мм плотно наматывается вспомогательная вольфрамовая или молибденовая
спираль. Проволока испаряемого металла диаметром 0,15 мм, скрученная в жгут,
наматывается между витками вспомогательной спирали на среднюю часть ис-
парителя. Если испаряемый материал порошкообразный, он смешивается со
спиртом или биндером и кисточкой наносится на подогреватель.
Для нанесения толстых слоев пленок используют конструкцию испарите-
лей из параллельно соединенных либо скрученных вольфрамовых проволок. При
испарении алюминия используют испарители, состоящие из трех — шести прово-
лок диаметром 0,55...0,75 мм.
271
При испарении проволочных материалов применяют многожильные испари-
тели, скрученные в жгут и состоящие из нескольких проволок вольфрама или
молибдена, среди которых помещается проволока испаряемого материала (на-
пример, три вольфрамовые проволоки диаметром 0,5 мм и одна платиновая того
же диаметра). Такие многожильные испарители могут быть скручены в виде
спирали.
Конусообразная вертикально расположенная спираль (рис. 7.10, л) приме-
няется для испарения металла, который не смачивает материал подогревателя.
Спираль может быть окружена дополнительным тепловым экраном (рис. 7.10, лг),
который одновременно служит для направления потока испаряемого металла.
При испарении хрома и кадмия предварительно гальванически покрывают
испаряемым металлом протравленную поверхность подогревателя. Таким спо-
собом испаряют небольшие количества хрома и кадмия с вольфрама, серебра с
молибдена. При необходимости испарения больших количеств этих металлов
применяют гальванически покрытые испаряемым металлом подогреватели, на
которые насаживают кусочки испаряемого вещества.
Материалы, которые не могут быть получены в виде проволок, например,
висмут с малой температурой плавления, успешно испаряются следующим об-
разом: хорошо очищенную никелевую нить диаметром 0,2 мм погружают в ван-
ну с соответствующим расплавленным металлом. При этом никель покрывается
этим металлом довольно ровным слоем. Через подготовленную таким образом
нить в вакууме пропускается ток, необходимый для испарения.
Для испарения больших количеств металла и порошкообразных материа-
лов применяются испарители в виде лодочек или тиглей (рис. 7.11, а — к), подо-
греваемых электрическим током. На рис. 7.12, а и б изображены испарители,
представляющие собой металлическую чашечку (тигель) из листового тантала,
свободную от швов, которая нагревается с помощью специальной изолированной
спирали, намотанной вокруг поддерживающего стержня, или помощью высоко-
Рис. 7.12. Испарители тигельного типа с косвенным нагревом
272
частотной катушки, расположенной вне вакуумного колпака. Для испаре-
ния металлов с низкой температурой плавления можно использовать тигли из
кварца, которые окружены спиралью (рис. 7.12, в).
Для испарения больших количеств металлов с высокой температурой плав-
ления применяются тигли относительно большой емкости из алунда и окиси
бериллия. Технология изготовления алундовых тиглей следующая: из вольф-
рамовой проволоки диаметром примерно 0,5 мм навивают коническую спираль
с малым шагом, затем эту спираль с внутренней и наружной стороны покрыва-
ют с помощью кисточки водной суспензией окиси алюминия и прогревают на воз-
духе до образования тонкого белого покрытия, заполняющего пространство меж-
ду витками. После сушки на воздухе такой тигель спекается в вакууме при
медленном повышении температуры приблизительно до 1773 К с выдержкой при
этой температуре около 10 мин (прогрев можно осуществить путем пропускания
соответствующего тока через спираль). Процесс покрытия тиглей водной суспен-
зией окиси алюминия и отжига тиглей повторяется несколько раз до получения
довольно толстого однородного покрытия. Если во время нагрева на поверх-
ности тиглей образуются трещины или раковины, их замазывают и процесс про-
грева повторяют.
При спекании тиглей из окисей алюминия в вакууме выделяется большое
количество газов, однако при эксплуатации такие тигли отличаются очень хо-
рошими вакуумными свойствами. Тигли из окиси бериллия изготавливают путем
намазывания вольфрамовых конических спиралей подкисленной водной суспен-
зией чистого порошка окиси бериллия. Вода должна содержать такое количест-
во НС1, чтобы рН=1...2. Тепловая обработка тиглей из окиси бериллия подоб-
на тепловой обработке тиглей из окиси алюминия.
Тигли из окиси алюминия используются для испарения металлов, точка
плавления которых ниже 1873 К (Со, Си, Ge, Мп, Ag, Sn, Ni); тигли из окиси
бериллия могут быть использованы до температуры 2023 К (Со, Fe и Si).
Для испарения металлов при температуре порядка 2473 К применяются мас-
сивные тигли из окиси тория. Подогрев таких тиглей производится с помощью
туго намотанной изолированной вольфрамовой спирали, окруженной тепловым
экраном из листового молибдена (рис. 7.12, в).
Для еще более высоких температур испарения в качестве материала для
испарителей применяется графит. При этом испаряемый материал может быть
введен в углубление на непосредственно нагреваемом графитовом стержне
(рис. 7.12, г) или в тигель из графита, подогреваемый с помощью спирали. По-
догрев таких тиглей осуществляется токами 400... 1000 А.
При высоких температурах многие металлы реагируют с углеродом, образуя
карбиды. К таким металлам относится алюминий, который взаимодействует с
углеродом при температуре, близкой к температуре испарения, с образованием
желтых кристалликов карбида кремния. Кристаллики карбида алюминия летучи,
и поэтому осажденный на подложку алюминий при испарении из графитового
тигля имеет часто желтоватый оттенок. При испарении кремния из графитового
тигля происходит образование нелетучего карбида кремния.
Металлы, не реагирующие с углеродом при высоких температурах (берил-
лий, серебро, стронций и др.), могут быть успешно испарены из графитовых тиг-
лей. Кроме того, многие окиси металлов восстанавливаются под действием угле-
рода и, таким образом, при использовании графитовых тиглей может одновре-
менно происходить очистка металла.
При создании тиглей из графита, подогреваемых с помощью спирали, сле-
дует обращать внимание на то, чтобы вольфрамовый подогреватель не сопри-
касался с графитом, так как при нагревании такого тигля до температуры
1773 К образуется карбид вольфрама, вследствие чего уменьшается проводи-
мость подогревателя, увеличивается его хрупкость и сокращается срок службы.
Недостатком графитовых тиглей является их способность легко поглощать
газы, что осложняет технологическую обработку в вакууме.
Испарение «вспышкой». Разновидность термовакуумного метода, который
осуществляется из поверхностных испарителей при непрерывном или дискретном
испарении проволоки либо мелкодисперсных частиц, подаваемых из специаль-
ных дозаторов (рис. 7.13, а — и). Подача проволоки или мелкодисперсных частиц
производится со скоростью, равной скорости испарения частиц этого вещества.
18 Заказ № 1270
273
Рис. 7.13. Конструкции испарителей дискретного действия для испарения
«вспышкой»:
/ — бункер; 2 —лоток для подачи материала; 3 — испаритель
В парообразной фазе над испарителем присутствуют все компоненты сложного
вещества в таком же соотношении, в каком они содержатся в твердой фазе, что
обеспечивает при конденсации на поверхности подложки возможность получения
пленок требуемого стехиометрического состава.
7.2. Импульсное нанесение пленок
Нанесение пленок методом термического испарения в вакууме состоит из
трех связанных между собой процессов: испарения образца конденсированного
тела (мишени), транспортировки пара от мишени до поверхности конденсации
(подложки), зарождения конденсированной фазы на подложке и роста пленки
при обмене энергией с подложкой.
Импульсное нанесение пленок, снимая температурные ограничения при ис-
парении, используя плотные потоки пара, ионизацию и ускорение плазмы, на
несколько порядков повышает мгновенную скорость осаждения (до 10’1 м/с и
более) и характеризуется нестационарностью указанных процессов.
Электрический взрыв проводников и полупроводников. Электрический
взрыв проводников возникает в тонком образце конденсированного материала
при интенсивном выделении джоулева тепла. Электрические проводники (про-
274
волочки, фольга, пленки, нанесенные на диэлектрические подложки) распыля-
ются при разряде высоковольтной и малоиндуктивной (с высоким значением
скорости нарастания тока) конденсаторной батареи (рис. 7.14,а). Диаметр про-
волочек или толщина плоского образца составляет 0,01...0,1 мм, а интенсивность
объемного источника тепла достигает 1011...1013 Вт/г.
Взрывы делятся на медленные, быстрые и взрывную абляцию в зависимо-
сти от соотношения между временем испарения проволочки те и постоянными
Рис. 7.14. Различные способы импульсного нанесения пленок:
а — электрический взрыв-
1 — взрываемый образец; 2 — подложка; 3 — поток продуктов взрыва; 4 — конденсаторная
батарея; 5 — управляемый разрядник;
б — испарение мощным сходящимся электронным лучом:
* — мишень; 2 — подложка; 3—поток пара; 4 — конденсатор или специальный генератор
импульсного тока; 5 — управляемый разрядник; 6 — накал катода электронной пушки;
7 — катод; 8 — фокусирующий электрид; 9 — анод;
в — лазерное испарение:
1— мишень; 2— подложка; 3 — поток пара; 4 — прозрачное окно; 5 — вакуумная камера;
«•—фокусирующая линза; 7 — активное вещество; 8— лампа накачки; 9 — конденсатор;
<0 — управляемый разрядник; // — непрозрачное зеркало; /2 — ячейка Керра; 13 — поля-
роид; 14 — полупрозрачное зеркало,
г — использование импульсного генератора металлической плазмы:
1 •— плазмообразующее вещество; 2 — подложка; 3 — поток эрозионной плазмы; 4 — цент-
ральный электрод; 5 — наружный электрод; 6 — изолятор; 7 — индицирующий электрод;
8 — конденсаторная батарея; 9 — разрядный ток;
j д — использование генератора диэлектрической плазмы:
1 — плазмообразующее вещество; 2 — подложка; 3 — поток эрозионной плазмы; 4 — цент-
ральный электрод; 5 — наружный электрод; 6 — конденсаторная батарея
18*
275
времени т8 и тл (т8 — постоянная неустойчивости, т. е. характеристическое вре-
мя, требующееся для того, чтобы нестабильность, например волнистость прово-
лочки, возросла вдвое; тл — электротермическая постоянная времени, т. е. время,
необходимое для проникновения температуры, равной точке кипения, на глубину
порядка радиуса проволочки).
При медленном взрыве Те^>т« физические искажения проволочки оказывают
значительное влияние на характер его протекания. Быстрому взрыву соответст-
вует tzCt8. Под взрывной абляцией понимается ситуация, когда процесс разви-
тия взрыва управляется скин-эффектом и испарение происходит лишь в тонком
поверхностном слое, а центр остается непрогретым.
При быстром взрыве в вакууме в течение 10-8...10-7 с взрываемый образец
превращается в пар с плотностью, близкой к плотности твердого тела, и темпе-
ратурой 1...4-105 К (энергия 10...35 эВ).
С помощью электровзрыва получены очень тонкие пленки (около 10 нм)
полупроводников Ge, InSb и InAs. Типичные размеры взрываемых образцов
0,1x0,1x30 мм, напряжение на конденсаторной батарее из-за высокого удель-
ного сопротивления полупроводников достигает 500 кВ, амплитуда разрядного
тока 150 кА, период разряда т~0,2 мкс. Для уменьшения сопротивления образ-
цы перед взрывом прогреваются.
Наиболее характерными чертами нанесения пленок при электровзрывном ис-
парении является исключительно высокая скорость роста пленки (1О7...1О8 нм/с)
и высокая энергия конденсирующейся плазмы (эквивалентная температура Т~
«1О5...1О6 К). Скорость потока плазмы около 105 см/с, а плотность потока
приблизительно 1023 см-2-с-1. Высокая интенсивность потока пара характеризу-
ется также тем, что на 108 атомов пара, бомбардирующих подложку, находя-
щуюся на расстоянии L=7 см от взрываемого образца, приходится всего одна
молекула остаточного газа (давление около 133-10-5 Па). Тем самым электро-
взрывное испарение позволяет получать исключительно чистые пленки
Высокая энергия конденсирующихся частиц приводит к сильному нагреву
поверхности подложки и самого конденсата в процессе роста пленки. Различают
три вида кристаллизации: при температуре более высокой, чем начальная тем-
пература подложки, но меньше температуры плавления; при температуре плав-
ления; с интенсивным реиспарением.
Импульсное испарение под действием электронной бомбардировки. Плот-
ность тока с катода (LaB6) электронной пушки может достигать /с=10 А-см~2,
а плотность тока в пучке /«300 А-см~2; тепловой поток, приносимый электрона-
ми на единицу бомбардируемой поверхности, t/=107 Вт/см2, что достаточно для
импульсного испарения в вакууме и нанесения, таким образом, тонких пленок
(см. рис. 7.14, б).
Электронный пучок интенсивно взаимодействует с паром уже при q —
= 105 Вт/см2 и давлении насыщенного пара над бомбардируемой поверхностью
около 133 Па. При ^=1О6...1О8 Вт/см2 через 10-5...10-7 с после начала бом-
бардировки энергия электронов в основном начинает тратиться не на фазовый
период, а на нагревание и ионизацию уже готового пара и передачу энергии,
образующейся в плазме. Для этого укорачивают длительность импульса элект-
ронного пучка.
Импульсное лазерное испарение в режиме свободной генерации. Импульсные
лазеры, работающие в режиме свободной генерации, обеспечивают в течение
импульса длительностью около 10-3 с тепловой поток на поверхность испаряе-
мого тела q— 106...108 Вт/см2. Использование пучкового режима генерации обес-
печивает импульс, фактически представляющий собой последовательность им-
пульсов длительностью 10~6 с, в чем и заключается импульсное нанесение пле-
нок. При лазерном импульсном нанесении пленок лазер располагают за преде-
лами вакуумной камеры (см. рис. 7.14, в).
Поглощение излучения лазера непрозрачным твердым телом зависит от
зонной структуры последнего. Падающий на поверхность металла световой по-
токл за вычетом отраженной части, практически полностью поглощается элект-
ронами проводимости в слое толщиной а”}=0,1...1 мкм, соответствующей глуби-
не проникновения света в металл (а/ — коэффициент поглощения света) Релакса-
ция функции распределения электронного газа к равновесному значению про-
исходит вследствие электрон-электронных и электрон-ионных соударений. При
276
рассмотрении релаксации всей системы (электронный газ-|-решетка) имеют зна-
чение отношения времени соударений фотон-электрон т/е, электрон-электрон
электрон-ион тег и ион-ион тц по отношению к длительности импульса излуче-
ния. При интенсивности светового потока ^<109 Вт/см2 тее<т/е и электронный
газ можно характеризовать единой температурой Те. Так как тнСтег, а тег«
~ 10“12...10“H с, то при длительностях импульса излучения разность
между электронной и решеточной температурами исчезает и можно ввести по-
нятие общей температуры металла Т.
Поглощение энергии электромагнитного излучения в полупроводниках и
диэлектриках носит более сложный характер и может быть разделено на не-
сколько типов: собственное поглощение, поглощение свободными электронами,
поглощение локальными примесными центрами и поглощение решеткой. Если
энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны полупроводника, то при
достаточно интенсивных световых потоках в начале импульса излучения наблю-
дается собственное поглощение — внутренний фотоэффект, электроны валентной
зоны переходят в зону проводимости, причем через 1...10 нс при интенсивности
106 Вт/см2 концентрация свободных электронов может достигать значений по-
рядка 1020...1021 см~3. Полупроводник приближается по своим свойствам к ме-
таллу, а коэффициент поглощения света достигает значения щ = 104...105 см-1.
Релаксация конденсированного тела, поглощающего излучение лазера, в
каждом конкретном случае должна рассматриваться отдельно в зависимости от
характеристик вещества и интенсивности излучения. Однако существует зна-
чительный класс непрозрачных веществ (металлы, некоторые полупро-
водники и диэлектрики), имеющих времена релаксации, существенно меньшие
длительности поля одной моды (около 1 мкс) излучения твердотельных лазеров
в режиме свободной генетики. Если иметь в виду лишь этот класс веществ и ука-
занный режим генерации, то при рассмотрении вопросов нагревания и испаре-
ния можно пользоваться обычной теорией теплопроводности.
Условия получения наиболее чистых пленок достигнуты Бонемом, соединив-
шим в своем методе сверхвысокий вакуум (1,ЗЗХ10~8 Па), гелиевое охлажде-
ние (до 2 К) и рубиновый лазер (с энергией в импульсе, достигающей 5 Дж),
С помощью рубинового лазера с энергией светового импульса 3 Дж и дли-
тельностью импульса около 1 мс при плотности мощности в фокусе g=166...
108 Вт/см2 получают удовлетворительные пленки следующих веществ: Sb2S3,
As2S3, Se, ZnTe, Те, MoO3, РЬС12, PbTe, Ge.
Значительное увеличение энергии в лазерном импульсе (до 500 Дж при
длительности 2...4 мс, активное вещество — стекло с неодимом) позволяет по-
лучать пленки в несколько сотен нанометров за один импульс при скорости
нанесения 1О4...1О5 нм/с. Данным методом хорошо испаряются материалы: Сг, W,
Ti, С, Sb2S3, SrTiO3, BaTiO3. Титанат бария приготавливается в виде мелкого по-
рошка и дегазируется прогревом в вакууме (почти 1,33 -10“5 Па) до температу-
ры, несколько меньшей температуры плавления. Структурный анализ показы-
вает, что полученные пленки по составу такие же, что и первоначальный ма-
териал. Пленки BaTiO3, нанесенные при более высокой плотности мощности из-
лучения, обладают более высоким сопротивлением утечки и меньшим фактором
потерь.
Лазерное импульсное нанесение пленок позволяет получать поликристалли-
ческие пленки GaAs на подложках из CaF и NaCl стехиометрического (кон-
груэнтного) состава. Соединения типа AniBv (GaP, GaS, GaSb, InSb) и типа
AHBVI (ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe), за исключением ZnO, испа-
ряются конгруэнтно, а образующиеся пленки имеют состав вещества мишени.
Импульсное лазерное испарение в режиме модулированной добротности.
Модуляция добротности оптического резонатора, например, с помощью ячейки
Керра и поляроида (см. рис. 7.14, в) позволяет уменьшить длительность светового
импульса твердотельного лазера до 10~8...10~7 с и увеличить плотность потока
излучения на поверхность мишени до 1О9...1О10 Вт/см2 и более.
При использовании этого режима генерации для импульсного нанесения пле-
нок следует отметить: значительное (на 2...3 порядка) уменьшение количества
испаряемого за импульс вещества; возрастание энергии пара вблизи поверхно-
сти до 10...50 эВ; значительную полную и даже многократную (по мере уве-
личения q) ионизацию атомов и высокие энергии ионов (100... 1000 эВ), также
277
возрастающие с увеличением q. Количество вынесенной массы для лазера на
неодимовом стекле с энергией в импульсе около 20 Дж, дающего поток q=
= 10ю...10п Вт/см2 не превышает 1 мг. Плотности пара (плазмы) вблизи поверх-
ности мишени достигают 1О19...1О21 см~3.
Так как размер фокального пятна (так называемой «горячей точки*) на
поверхности мишени г0~Ю~2см много меньше расстояния до подложки L =
= 1...1О см, плотность лазерной плазмы при движении ее к поверхности падает
на 4...6 порядков.
Импульсные генераторы эрозионной плазмы как разновидность импульсных
испарителей. Импульсные генераторы эрозионной плазмы представляют собой
плазменные ускорители, использующие в качестве основного физического про-
цесса сильноточный вакуумный разряд, т. е. разряд, горящий в парах материа-
лов— элементов разрядной камеры (электродов и изоляторов) (рис. 7.14, а. д).
Разрушение электродов и изоляторов в сильноточном вакуумном разряде
обусловлено тепловыми потоками к элементам разрядной камеры, достигаю-
щими <7=105...108 Вт/см2, т. е. того же порядка, что и при воздействии излу-
чения лазеров в режиме свободной генерации. Природа тепловых потоков для
различных элементов различна. В катодных пятнах — это ионная бомбардировка
поверхности катода ионами, ускоряемыми прикатодным падением напряжения,
в анодных пятнах — это электронная бомбардировка; тепловые потоки к по-
верхности изоляторов обусловлены соседством плазмы и представляют в основ-
ном потоки излучения из плазмы.
Явления эрозии электродов в эрозионных пушках сложно. В большинстве
случаев фиксируется лишь результат целой гаммы физических процессов (рожде-
ние, передвижение и гибель катодных или анодных пятен, нагревание элект-
родов, их испарение, ионизация пара, действие на плазму электродинамических
сил и др.), зависящих, в свою очередь, от геометрии и материала электродов,
режима разряда и т. п.
Разрушение диэлектрика, осуществляемое зажиганием разряда в узких и
длинных диэлектрических каналах (трубках) (см. рис. 7.14, д), представляет
собой более организованный процесс.
Импульсные генераторы эрозионной плазмы (ИГЭП) способны в течение
10~5...10~3 с обеспечить плазменный поток (пары разрушенных материалов) со
скоростью (1...3) -107 см/с с температурой до (5...10) -104 К и плотностью до
5-Ю18 см~3, чего нельзя достичь с помощью любого из ранее рассмотренных
испарителей.
Эффективен анодный режим работы ИГЭП торцевого типа (рис. 7.14, а)
из-за большего эффективного анодного падения потенциала и большей равно-
мерности подвода энергии к поверхности электрода. В таком режиме получены
слои толщиной 10~2...1 мкм из Nb, Си и А1 на различных подложках и с хоро-
шей адгезией. Поток металлической плазмы взаимодействует с различными ме-
таллическими поверхностями (Fe-плазмы с поверхностью Al, Mg и Be; Nb-плаз-
мы с поверхностью Sn; Sn-плазмы с Mg; Cu-плазмы с Be). При достаточно
большом энергосодержании сгустка плазмы происходит химическая реакция с
образованием интерметаллидов. Взаимодействие Fe-плазмы с Mg-подложкой
приводит к образованию парамагнитных фаз, не указанных на равновесной диа-
грамме состояния системы Fe — Mg. Взаимодействие Nb-плазмы с Sn-подложкой
приводит к образованию конденсата, имеющего критическую температуру сверх-
проводящего перехода около 16 К. Конденсируя поток металлической плазмы,
можно получить выпрямляющие и невыпрямляющие контакты к полупровод-
никам: Si, Ge, GaAs, GaP, SiC. В качестве контактных металлов можно исполь-
зовать Sn, In, Au, Ni, Al, Mo, Zn, Cd и ряд сплавов.
7.3. Получение пленок из ионизированных потоков
многоатомных частиц методами ионного осаждения
Метод ионно-кластерного осаждения. Этот метод использует явление обра-
зования кластеров (многоатомных агрегатов) при истечении в вакуум со сверх-
звуковой скоростью потока пара из квазизамкнутого тигля через одно или це-
сколько отверстий (сопел) малого диаметра. Если температура пара в тигле
278
Гт, то после выхода его из сопла в результате адиабатического расширения
температура понижается до Г» и может быть определена из уравнения
Гв/Т» = (Рв/Рт)(’-1)/'' ,
где Рт и Рв — давление пара в тигле и в вакуумной камере вблизи сопла; v —
отношение удельной теплоемкости пара при постоянном давлении Ср к его удель-
ной теплоемкости при постоянном объеме Су; v=CP/Cy = l-f-2/n; п — число сте-
пеней свободы молекулы пара.
Образование кластеров протекает наиболее эффективно, если Рт/Рв>104,
что обеспечивается выбором температуры тигля и диаметра отверстия сопла,
который обычно не превышает 1...30% внутреннего диаметра тигля и составляет
0,1...1,0 мм. Число атомов в кластере /У = 102...103. Энергия кластеров №=
=kTTN, где k— постоянная Больцмана. Для повышения энергии кластеров их
ионизируют и ускоряют в электрическом поле. Ионизация потока кластеров осу-
ществляется электронным ударом. Сечение ионизации кластера окл является
функцией его размера, и при энергии электронов 50...500 эВ окл в первом при-
ближении равно геометрическому сечению кластера, что позволяет получить
степень ионизации потока кластеров 15...50%.
Ионизацию потоков кластеров электронным ударом можно осуществить не-
сколькими способами (рис. 7.15). В одном случае электроны, инжектируемые
кольцевым катодом, помещенным в экран, вытягиваются и ускоряются в направ-
лении тигля под действием разности потенциалов (рис. 7.15, а). Пространство
между источником электронов (ионизатором) и тиглем является зоной иони-
зации потока испаренного материала. В другом случае (рис. 7.15,6, д) иониза-
тором служит цилиндрический диод, сеточный анод которого ограничивает об-
ласть, где осуществляется бомбардировка осциллирующими электронами потока
кластеров. В качестве ионизатора может также использоваться и обычная трех-
электродная электронная пушка (рис. 7.15,в), состоящая из катода, фокусирую-
щего электрода и анода. Ускоренный электронный пучок, проходя через анодное
отверстие, бомбардирует поток осаждаемого материала в направлении, перпен-
дикулярном его движению к подложке, и затем попадает на коллектор, нахо-
дящийся под небольшим положительным потенциалом относительно анода. Если
для формирования потоков кластеров многокомпонентных материалов применя-
ются многотигельные системы, то ионизировать электронным ударом можно как
кластеры каждого из элементов, так и смесь кластеров исходных элементов, рас-
полагая электронную пушку, например, между тиглями (рис. 7.15, г) и направ-
ляя электронный пучок в сторону подложки. При получении пленок посредством
испарения материалов в среде какого-либо газа (реактивным ионно-кластерным
методом) для дозированной подачи последнего в вакуумную камеру вблизи
тигля устанавливается натекатель (рис. 7.15,6), имеющий на конце сопло. Ис-
пользование каждого из этих устройств позволяет ускорять ионизированные кла-
стеры к подложке за счет отрицательного потенциала, подаваемого, например,
на подложкодержатель (рис. 7.15, а — в) или на ускоряющий электрод
(рис. 7.15,г, д). В последнем случае подложкодержатель находится, как пра-
вило, под плавающим потенциалом.
Ионно-кластерным методом получают пленки металлов, полупроводников, ди-
электриков простого и сложного составов. При этом в качестве рабочих мате-
риалов используются легкосублимирующие вещества (серебро, золото, медь,
свинец, кремний, сульфиды кадмия и цинка, сплав Au — Be и соединение Мп —
Bi). При ионно-кластерном методе осаждения возможно легирование материала
пленок в процессе их получения. Для этого легирующее вещество загружается
либо в отдельный тигель, либо в тигель вместе с материалом наносимой пленки.
Осаждение пленок реактивным ионно-кластерным методом позволяет получать
пленки окислов, нитридов и т. д. Такой метод высокопроизводителен, причем ско-
рость осаждения можно регулировать в широких пределах (от сотых долей до
десятков микрометров в минуту) даже при испарении материалов из односопло-
вого тигля.
При осаждении пленок ионно-кластерным методом ионная бомбардировка
вызывает глубокое травление поверхности подложки, ее частичное распыление
и очистку, а также легирование и нагрев пленки в процессе ее осаждения. При
279
б)
Рис. 7 15. Способы ионно-кластер-
ного осаждения пленок:
1 — тигель с косвенным нагревом; 2 —
катод; 3 — экран; 4 — подложка; 5 — под-
ложкодержатель; 6 — анод; 7 — фокусиру-
ющий электрод; 8 — коллектор; 9 — уско-
ряющий электрод; 10 — натекатель
этом образуется межфазный слой на границе пленка — подложка и увеличи-
вается концентрация дефектов в подложке. Конденсация кластеров на подлож-
ке сопровождается частичным или полным распадом их на составляющие атомы,
которые могут мигрировать по поверхности подложки. Значительная величина
среднего пути миграции атомов (10...50 мкм) стимулирует процессы зародыше-
образования, рост островков, их коалесценцию и т. д., что позволяет получать
поли- и монокристаллические пленки при более низких температурах подложки
по сравнению с термовакуумным методом.
280
В результате миграции атомов снижается удельное сопротивление металли-
ческих пленок, уменьшаются внутренние напряжения. Плотность материала плен-
ки растет с увеличением энергии кластеров, что обусловлено непрерывным
удалением ионной бомбардировкой слабосвязанных с поверхностью подложки
атомов рабочего материала, а также повышенной миграцией по подложке скон-
денсированных частиц. С увеличением энергии ионизированных частиц растет
число имплантированных в подложку ионов, интенсифицируется травление ее по-
верхности, что способствует повышению адгезии пленки к подложке.
Автоэмиссионный метод получения пленок. Обычный термовакуумный метод
получения тонких пленок можно легко преобразовать в метод автоэмиссионного
распыления. Для этого вблизи испарителя, находящегося под высоким положи-
тельным потенциалом, располагается заземленный экстрагирующий электрод. Ис-
парителем может служить либо одновитковая (рис. 7.16, а), либо многовитковая
(рис. 7.16,6) спираль, либо тигель, вблизи которого располагается вибратор для
создания на поверхности расплавленного вещества заостренных выступов
(рис. 7.16, в). Разогрев осаждаемого материала электронным пучком (рис. 7.16, г)
позволяет снизить напряжение экстракции U3i< в несколько раз. При иэк=\ кВ
получены потоки многоатомных ионизированных частиц свинца, олова, алюми-
ния, серебра, золота, платины, углерода, вольфрама и т. д. при ионном токе до
10 мА.
Скорость осаждения регулируется положительным потенциалом на испари-
теле. При использовании автоэмиссионного метода распыляемое вещество обыч-
но разогревается только до температуры плавления, поэтому снижается мощ-
ность, подводимая к испарителю, заметно уменьшаются энергетические потери,
связанные с нагревом токовводов, и значительно расширяется номенклатура ма-
териалов для изготовления испарителей. Кроме того, при осаждении пленок
этим методом отпадает необходимость в дополнительных устройствах для иони-
зации потока многоатомных частиц распыляемого материала.
Для реализации этого метода и получения высоких скоростей осаждения
наносимые материалы должны находиться в жидком состоянии. Ионизирован-
2
а)
г)
Рис. 7.16. Получение пленок автоэмиссионным методом:
/ — испаритель; 2 — экстрагирующий электрод; 3 — вибратор; 4 — электронный пучок
281
Таблица 7.2. Коэффициенты распыления
Материал | Энергия,
размерность, j । 0,1 | 0,2
А1 0,25 (0,11) 0,5 (0,35)
Si 0,21 (0,07) 0,43 (0,18)
Ti 0,26 (0,08) 0,5 (0,22)
Cr 0,3 (0,3) 0,6 (0,7)
Fe 0,49 (0,2) 1,0 (0,53)
Ni атом/ион 0,25 (0,28) 0,5 (0,66)
Cu 0,35 (0,48) 0,7 (1,1)
As 0,95 1,9
Mo 0,20 (0,13) 0,4 (0,4)
Au 0,45 (0,32) 0,9 (1,07)
GaAs (110) —— (0,4)
GaP (111) молекула/ион •— (0,4)
GaSb (111) — (0,4)
SiOg —. —.
А120з — —
ные кластеры, образовавшиеся при отрыве микрокапель с поверхности расплава,
состоят из сравнительно большого числа атомов (5-108...5-109), связанных между
собой сильнее, чем атомы кластеров, получаемых ионно-кластерным методом,
что обусловливает низкую вероятность их разрушения при соударении с под-
ложкой.
Катодное распыление в плазме газового разряда и ионным лучом. При рас-
пылении твердых тел бомбардировка поверхностей ионами с энергиями выше
пороговой вызывает их разрушение, сопровождаемое распылением атомов с по-
верхности. Значение пороговой энергии слабо зависит от масс сталкивающихся
частиц и лежит в диапазоне 5,6...59 эВ. С увеличением энергии выше пороговой
(до 100 эВ) интенсивность процесса распыления возрастает в 1О3...1О4 раз, при
этом коэффициент катодного распыления составляет 0,1...0,4 атом/ион. Коэффи-
циент распыления растет с увеличением энергии до 300...500 эВ, а затем его
рост прекращается. Увеличение коэффициента наблюдается при бомбардировке
ионами с большими массами, а также при облучении поверхности под углом
к нормали порядка 50...70°.
Установлена зависимость коэффициента распыления от атомного номера
элемента мишени, эта зависимость периодическая и объясняется изменением по-
тенциала взаимодействия, обусловленного заполнением электронами d-оболочек.
Температура материала аморфной мишени не влияет на скорость распыления, од-
нако у монокристаллов с ростом температуры мишени наблюдается отжиг де-
фектов структуры, и коэффициент распыления может возрастать до значений,
соответствующих поликристаллическому образцу или характерных для определен-
ной кристаллографической плоскости.
Распыляемые атомы мишени, испытывая столкновения с молекулами или
атомами рабочего газа, могут возвращаться на мишень. Обратное рассеяние
существенно, когда масса распыленного атома меньше массы газовой частицы.
Обратная диффузия возрастает с ростом давления рабочего газа. При давлениях
более 1...1,2 Па коэффициент распыления уменьшается.
Распыление сплавов характеризуется селективностью скорости ухода от-
дельных компонентов. Задаваясь необходимой скоростью и используя табличные
значения коэффициента распыления, выбирают тип ионов и их энергию, рассчи-
тывают плотность тока на мишень.
Коэффициенты распыления материалов ионами аргона с различной энергией
(от 0,1 до 5 кэВ) приведены в табл. 7.2. Скорость распыления Vi, мкм/с, рассчи-
тывают как толщину удаляемого слоя в единицу времени:
о*=0,104 — /,,
рм
282
различных материалов ионами аргона
кэВ
1 °’5 1 1 1 1,5 1 2 1 5
0,95 (1,0) 1,2 1,35 1,45 1,75
0,8 (0,5) 1 (0,6) 1,15 1,2 (0,9) 1,45 (1,4)
0,95 (0,35) 1,22 1,4 1,5 (1,1) 1,83 (1,7)
1,15 (1,2) 1,47 1,66 1,82 2,23
1,2 (1,1) 1,36 (1,4) 1,51 1,68 2,06
1 (1,38) 1,29 (2,1) 1,45 1,6 2,0
1,33 (2,0) 1,7 (3,2) 1,92 2,10 (4,3) 2,65 (5,5)
3,8 4,78 5,04 5,59 7,65
0,82 (0,82) 1,03 (1,1) 1,21 1,30 1,68 (1,5)
2,02 (2,43) 2,55 (3,6) 2,9 3,19 (5,6) 4,34 (7,9)
(0,9) — — — —
(1) «— —— —— -
(0,91) (1,25) — — —
— 0,13 — — —-
— 0,04 — — —
где М2 — атомная масса вещества мишени; S — коэффициент ионного распыле-
ния; ji — плотность ионного тока; А/см2; рм — плотность материала мишени,
г/см3.
При нанесении тонких пленок катодным распылением распространение по-
лучили плазменные методы с использованием тлеющего разряда постоянного то-
ка (рис. 7.17, а—в), магнетронного разряда в скрещенных электрических и маг-
нитных полях (рис. 7.17, ж, з), а также несамостоятельного разряда с накали-
ваемым термокатодом (рис. 7.17, д, е). Рабочие давления для этих типов уст-
ройств составляют соответственно 10°... 101; 10°...10-1; 10-1...10“2 Па, а приме-
няющиеся для катодного распыления напряжения: (7Р = 1...6; £7Р = 0,3...1; UM =
= 0,3..5 кВ.
При распылении на переменном токе (рис. 7.17, а) газовый разряд локали-
зован в пространстве между стержнями, попеременно распыляемыми только
в течение одного полупериода, когда на них подается отрицательное напряже-
ние и они служат катодом разряда. Магнитные поля (рис. 7.17, д, ж — и) спо-
собствуют повышению эффективности ионизации газа, т. е. уменьшению рабочего
давления и напряжения разряда, локализуют плазму вблизи распыляемого объ-
екта (катода или мишени), а также ослабляют бомбардировку подложки быст-
рыми электронами, которая приводит обычно к резкому самопроизвольному ее
разогреву. В устройствах с тлеющим разрядом подложка располагается обычно
на аноде (рис. 7.17, а), частицы диффундируют к подложке через газовый раз-
ряд, претерпевая многократные столкновения с атомами рабочего газа и рас-
сеиваясь обратно на катод. В тлеющем и магнетронном разрядах ионизатор и
источник пара питаются от одного и того же блока UPf в устройствах с накап-
ливаемым катодом образование плазмы и процесс распыления выполняются с
помощью самостоятельных узлов и источников питания (UPi UM).
Еще большее разделение функций узлов ионизатора и источника пара ©су-
ществляется в установке ионно-лучевого распыления (рис. 7.17, и). Здесь область
разряда отделена от узла мишени по вакуумным условиям. Напуск рабочего
газа производится в камеру ионного источника, а его откачка осуществляется
через анодную диафрагму малого сечения, так что перепад давлений между
областями составляет около полутора порядков. С границы проникающей из
анода А плазмы ускоряющим электродом вытягивается пучок ионов, транспор-
тируемый на мишень.
Распыление на постоянном токе применяется только в случае получения пле-
нок из хорошо электропроводящих материалов. Для распыления диэлектриков
используется высокочастотное напряжение £7Р, t/M. В отрицательный полупериод
мишень распыляется, а в положительный приходящие на ее поверхность эяект-
283
a)
+0-----
Л
QZZ2ZZ2Z???
~4Z? Г—50Гц
f —13,6 МГц
г)
0 0 И Е15л/
Ж)
Рис. 7.17. Осаждение пленок методами катодного распыления:
А — анод; К — катод; К\, К2 — термокатод; Л! — мишень; ЭМ — электромагнит; U — напря-
жение (С/р — разряда, UM — мишени, Uc м — смещения подложки); Е — силовая линия
электрического поля; Н — силовая линия магнитного поля:
/ — область разряда; 2— подложка; 3 — изолятор; 4 — ускоряющий ионы электрод; 5 —
Ионный пучок
роны нейтрализуют созданный ионами положительный поверхностный заряд.
Поскольку подвижность электронов выше, чем ионов, то интегральный заряд ми-
шени остается отрицательным, ускоряющим ионы.
Для всех типов распылительных устройств общим требованием является
необходимость удержания плазмы и выходящих из нее быстрых частиц в ограни-
ченном пространстве вакуумной камеры с помощью магнитных полей или экра-
нов (рис. 7.17, в). Этим предотвращается повышение газоотделения со стенок
вакуумной камеры и внутрикамерной арматуры. Бомбардировку положительны-
ми ионами инертного газа поверхности раздела фаз плазма -> твердое тело мож-
но использовать для избирательного катодного распыления примесей остаточных
газов. Для этого в устройствах плазменного распыления на подложку подается
отрицательное смещение, а сам метод распыления «со смещением» классифици-
руется как «ионное осаждение».
Если распыляемый материал обладает хорошей способностью к геттериро-
ванию (Ti, Та, W, Nb, V, Сг, Мо), то охлаждаемые водой или жидким азотом
284
внутренние стенки экранов служат своеобразным геттерным или криогеттерным
вакуумным насосом, откачивающим реактивные газы пленкой. Для предвари-
тельной очистки инертного газа от реактивных примесей его напускают во вспо-
могательную разрядную камеру, откуда он и поступает после очистки в основную
камеру с размещенной внутри нее подложкой. Методы конденсации пленок с
применением эффекта локального геттерирования реактивных газов на охлаждае-
мых экранах называются геттерным распылением или испарением.
Распыление в плазме газового разряда очень часто производится не только
в инертной, но и в реактивной среде (реактивное распыление). Для этого в зо-
ну распыления напускают чистые реактивные газы (О2, N2, СН4 и др.) или их
смесь с инертным газом. В результате протекающих на поверхности подложки
и распыляемого материала физико- и плазмохимических реакций образуются
пленки окислов, нитридов, карбидов. Для реактивного распыления обычно ис-
пользуются устройства, не содержащие термоэмиссионного катода.
Между ионно-лучевым распылением и распылением в плазме газового раз-
ряда существует еще одно принципиальное различие: в первом случае в прост-
ранстве источник ионов — мишень — подложка не существует электрических по-
лей, а во втором между зонами плазмы, мишени и подложки они имеются. При
рыспылении металлов в реактивной или в инертной среде, но с большим уров-
нем химически активных газов, а также при распылении диэлектриков поток па-
ра состоит не только из нейтральных частиц, но также из положительных и от-
рицательных ионов. Положительно заряженные ионы под действием потенциала
47м возвращаются обратно на мишень, тогда как отрицательные ионы аналогично
вторичным электронам ускоряются в направлении от поверхности мишени Уско-
ренные отрицательные ионы (чаще всего кислород и осколки углеводородов) вы-
зывают вторичное распыление материалов пленки или других элементов напыли-
тельного устройства, загрязняя конденсат.
Приборные факторы играют важную роль в технологическом процессе ва-
куумного осаждения тонких пленок. Изменение геометрии разрядного промежут-
ка влияет на пространственное распределение частиц газа и пара. При распы-
лении в тлеющем разряде (см. рис. 7.17, а — в) по мере увеличения площади
катода диодной системы все меньшее количество примесей реактивного газа
будет достигать подложки, расположенной в центре катода.
Молекулы реактивного газа проникают из вакуумной среды в пространство
катод—анод, претерпевают многократные столкновения с атомами инертного
газа (р= 1...10 Па) и активно поглощаются на электродах. Независимо от того,
присутствовали примеси в исходном инертном газе или они появились в резуль-
тате обезгаживания деталей внутривакуумной арматуры, будет происходить
очистка газа при движении от периферии плоскопараллельной разрядной си-
стемы к ее центру. В то же время этот метод не приводит к улучшению чистоты
пленок для тех случаев, когда основным источником газоотделения является
подложка, анод или катод.
Распыляемый образец может быть плоским (см. рис. 7.17, а — в, д, е, з, и)
или цилиндрическим (рис. 7.17,а, ж), и от этого зависят конфигурация элект-
родов всей разрядной системы и узла крепления подложек, характеристики раз-
ряда, распределения нейтральных и заряженных частиц в пространстве.
Ионное осаждение. Так называются вакуумные процессы получения пленок,
у которых фазовый переход пар — твердое тело сопровождается бомбардиров-
кой высокоэнергетичными частицами (£= 102...104 эВ) газа, осаждаемого мате-
риала или легирующей примеси. Содержание ионов в потоке пара на подложку
может составлять от долей процента до 100%.
Плазменными методами ионного осаждения называются (рис. 7.18) методы,
у которых для образования ионного потока на подложку используется газовый
разряд при рабочих давлениях lO'L.lO1 Па независимо от способа образования
частиц пара. На подложку может подаваться отрицательное напряжение раз-
ряда Up или смещения (7См, как это показано на рис. 7.18, а — в.
При ионно-лучевых методах осаждения процесс конденсации осуществляется
в высоком вакууме (меньше 10-2 Па), а для образования ионов используется
ионно-лучевой источник (рис. 7.18, а, з). Ускорение ионного потока производится
как в пространстве ионизатор — подложка с помощью потенциала UCtt
(рис. 7.18, в — д, з), так и в самом ионном источнике (рис. 7.18, ж).
285
l. JO Па
a) S) 6)
„коридор"
и)
Рис. 7.18. Схематическое изображение устройств ионного осаждения пленок:
Up—' разряд в парах или газе; С7ИП — ионизатор пара; Ucu — напряжение смещения;
К — катод электронно-лучевого источника; А — анод ЭЛИ; Т — тигель с испаряемым ма-
териалом; ЭМ — электромагнит; П — подложка; Кл — кластер; е — электронный луч
В области низких давлений рабочего газа (р^Ю-2 Па) частицы транспор-
тируются из источника пара или ионизатора на подложку без столкновений, а
при р=1...1О2 Па — после многочисленных столкновений и перезарядок.
Ионное осаждение при повышенных давлениях применяется в случае нане-
сения пленок на детали со сложным геометрическим рельефом поверхности, со-
держащим выступы, каналы, отверстия; при получении покрытий из окислов, нит-
ридов, карбидов с высокой их адгезией к подложке и т. д.
Для образования пара в большинстве методов ионного осаждения использу-
ются способы термического испарения, как обеспечивающие наиболее высокие
скорости испарения вещества.
Устройство термоионного осаждения в газоразрядной плазме включает в
себя два основных узла: термический испаритель материала напыляемой пленки
и разрядную систему диодного типа с отрицательным напряжением на подлож-
ке. Нагрев испаряемого материала производится резистивным способом
(рис. 7.18, а), электронно-лучевым с применением газоразрядной пушки с полым
катодом (рис. 7.18, б) или испарителя с отклонением первичного пучка на 270°
285
в секторном магнитном поле (рис. 7.18,в), а также для этих целей может при-
меняться высокочастотный индуктор.
В устройстве, изображенном на рис. 7.18, в, используется разделительная
диафрагма с отверстием для ввода первичного электронного пучка высоковакуум-
ной зоны, в которой находится электронный прожектор в зону газового разряда
с давлением рабочих газов около 1 Па. Перепад давлений между этими двумя
зонами обеспечивается непосредственным подключением вакуумных насосов к
первой области, в то время как напуск рабочего газа производится во вторую,
а их откачка осуществляется через отверстие в диафрагме с малой проводимо-
стью.
Нагреватели другого типа (рис. 7.18, б, в, е) могут работать и в области
давлений 1...10 Па, поэтому для таких устройств не приходится прибегать к
разделению зон по вакуумным условиям.
При термоионном осаждении в газоразрядной плазме процесс конденсации
пленки производится следующим образом. После откачки вакуумной камеры на
высокий вакуум, прогрева подложки и обезгаживания испарителей в камеру
напускается рабочий газ до давления, обеспечивающего зажигание газового раз-
ряда в области подложка — испаряемый материал (lO-L.lO1 Па). На подложку
подается отрицательное относительно испаряемого материала напряжение раз-
ряда £7Р==2...5 кВ. В результате бомбардировки поверхности подложки ионами
и полученными перезарядкой быстрыми нейтральными атомами инертного газа
происходит ее очистка от загрязнений, а также ионное травление поверхности.
После удаления катодным распылением поверхностных загрязнений подложки
без выключения напряжения разряда начинается прогрев и испарение напыляе-
мого материала.
Вакуумная газоразрядная очистка поверхности подложки и конденсация
пленки проводятся без перерыва во времени, в течение которого очищенная по-
верхность может повторно загрязняться летучими продуктами остаточной вакуум-
ной среды, что и наблюдается в случае нанесения пленок методами осаждения
из молекулярных пучков. Увеличению сцепления между пленкой и подложкой
способствует и то обстоятельство, что катодно распыленные с ее поверхности
атомы диффузно рассеиваются на атомы рабочего газа и возвращаются обрат-
но на подложку, смешиваясь с поступающими частицами пара. Таким образом,
прилегающие к подложке начальные слои пленки состоят из смеси атомов под-
ложки и осаждаемого материала. Этому способствует также повышенная взаим-
ная диффузия этих материалов на границе раздела подложка — пленка, обуслов-
ленная возникновением радиационных дефектов и повышением ее поверхностной
температуры под действием ионно-атомной бомбардировки.
Термоионное осаждение в газоразрядной плазме находит широкое примене-
ние при изготовлении антикоррозионных, теплозащитных, упрочняющих, изно-
состойких, декоративных покрытий, металлизации пластмасс и т. д. В качестве
материалов покрытий осаждаются металлические слои, а также окислы, карбиды,
нитриды, образующиеся конденсацией пленок в среде реактивного газа. Внедряю-
щиеся в решетку материала пленки быстрые ионы и атомы инертного и реактив-
ных газов остаточной вакуумной среды составляют обычно несколько процентов.
Получение пленок с низким уровнем примеси газов в условиях предвари-
тельной откачки камеры до «промышленного» вакуума (10“б...10“4 Па) це-
лесообразно осуществлять высоковакуумными методами ионного осаждения,
т. е. энергетическую активацию поверхности пар — твердое тело производить не
частицами газа, а частицами самого испаряемого вещества (рис. 7.18, в, г). Эти
методы называются ионно-лучевыми.
Простейшей ионной пушкой является электронно-лучевой испаритель с от-
рицательным смещением на подложке. Однако такое устройство при мощности
испарителя 5...8 кВт обеспечивает слабую ионизацию пара, так что отношение
потока ионов к потоку атомов пара на подложке не превышает нескольких про-
центов. Для повышения энергетической активации используют дополнительную
ионизацию пара: аксиальные магнитные поля (рис. 7.19,г), дуговой разряд Пен-
нинга в парах металла с применением скрещенных электрических и магнитных
полей (рис. 7.19, д), высокочастотный разряд в потоке пара (рис. 7.18, в). В та-
ких устройствах отношение потоков ионов и атомов достигает 50%, а сами они
287
являются простейшими ускорителями без разделения потока частиц по массам
и зарядам.
Установки представляют собой ускорители ионов с масс-сепарацией потока
и аналогичны установкам ионного легирования. Для уменьшения коэффициента
катодного распыления материала конденсирующейся пленки энергия ионов после
масс-сепарирования должна быть уменьшена до нескольких десятков электрон-
вольт. В случае остросфокусированных ионных пучков замедление потока ионов
приводит к разбуханию <. уширению пучка под действием положительного
объемного заряда. ‘
В устройстве, показанном на рис. 7.18, ж, один и тот же ионный пучок, сфор-
мированный и ускоренны.* $о 5... 10 кэВ в автономном источнике, применяется
не только для активацй1Г%^оцесса конденсации (пар — твердое тело), но и для
ионного легирования материала пленки. Ионы легирующего вещества со столь
низкими энергиями проникают в поверхностные слои границы раздела фаз пар —
твердое тело лишь на глубину нескольких атомных слоев, что позволяет про-
изводить прецизионное управление распределением концентрации примеси по
толщине пленки.
Осаждение из пучка ионизированных кластеров (рис. 7.18, з) объединяет
достоинства плазменного и электронно-лучевого методов. Испаряемый материал
нагревается внутри герметического тигля, имеющего в верхней крышке не-
большое отверстие (несколько миллиметров в диаметре). Давление перегретого
пара внутри тигля составляет 1...10 Па, так что из сопла в вакуум выходит
струя пара. В результате адиабатического расширения перенасыщенного пара
атомы группируются в кластеры, состоящие из 102..103 атомов. Кластеры иони-
зируются электронным пучком, формируемым накаливаемыми катодом К и ано-
дом А. Ионизированные кластеры ускоряются потенциалом смещения под-
ложки.
При столкновении с подложкой кластеры распадаются на отдельные атомы,
мигрирующие по ее поверхности вплоть до их закрепления на центрах адсорб-
ции. Напряжение смещения составляет обычно 3...10 кВ, так что приходящаяся
на один атом энергия распадающегося кластера (102 атомов) будет равна 30...
100 эВ. Характерной особенностью метода ионизированных кластеров является
малое отношение заряда к массе. Это значит, что при осаждении пленки на под-
ложку с низкой электропроводностью (диэлектрики или полупроводники) не воз-
никает проблемы накопления поверхностного заряда. Подложка легко экраниру-
ется от теплоизлучения испарителя, и это снижает ее саморазогрев. Методы
осаждения из пучка ионизированных кластеров применяют при металлизации низ-
котемпературных материалов (полиимид, лавсан, капрон, полупроводниковые со-
единения и т. д.).
Применяют также метод транспортировки материала в плазменном потоке
(рис. 7.18, и), где самопроизвольный разогрев пластин и их радиационное по-
вреждение снижены до минимума за счет увеличения расстояния источник —
пластина до 1 м и использования тепловой скорости транспортировки низко-
температурного плазменного потока. Рабочее вещество транспортируется от
СВЧ-источника плазмы по высоковакуумному «магнитному коридору» к под-
ложке с тепловой скоростью. В области «коридора» отсутствуют высокоэнерге-
тичные частицы и ускоряющие электрические поля. При приближении плаз-
менного потока к подложке с помощью приложенного к ней напряжения сме-
щения производится выделение ионной составляющей рабочего вещества. Здесь
можно осуществлять: предварительную очистку поверхности подложки, низко-
температурное осаждение поликремния и нитрида кремния. Рабочим веществом,
с помощью которого выполняются эти операции, является транспортируемый по-
ток плазмы, генерируемой в различных газах (Аг, SiH4, SiH44-N2, CF4, О2).
Вакуумно-дуговой метод осаждения. Использование дугового разряда в па-
рах рабочего вещества позволяет проводить процесс ионного осаждения в до-
статочно высоком вакууме, вследствие чего повышается чистота получаемых
пленок. Вакуумный дуговой разряд возбуждают в парах эрозии материала ка-
тода. Последний может быть либо холодный (охлаждаемый), либо горячий (не-
охлаждаемый). В первом случае дуга горит в виде отдельных катодных пятен,
перемещающихся по поверхности катода со скоростью 104 см/с, что позволяет
катоду оставаться интегрально-холодным. Во втором случае дуга горит на всей
288
рабочей поверхности катода, при этом температура может приближаться к тем-
пературе плавления катода. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) разряда 9
общем случае состоит из двух участков: диффузионного и дугового разрядов
(рис. 7.19). На первом участке ВАХ круто возрастает, примерно до напряжения
100 В. Ток имеет значительную высокочастотную составляющую: частота пуль-
саций— порядка 5 кГц, а амплитуда достигает 50% среднего значения тока.
Колебание плазмы связано с газодинамикой пл^^ч<4у поверхности электрода.
Так как напряженность поля у поверхности и температура электрода на этой
стадии разряда невелики, то наибольший вклад в общий ток будет вносить ион-
ный ток из плазмы. Напряжение в первом ynacgkg ВАХ обусловлено внешней
характеристикой источника питания. Проводить нс :мление тонких пленок в это
время нежелательно, так как свойства пленок будут нестабильны и плохо уп-
равляемы.
Переход диффузного разряда в дуговую стадию может происходить как
скачком, так и плавно. Для плазменных аппаратов наиболее характерен скачко-
образный переход при напряжении и токе пробоя (7П, /п. После перехода к не-
самостоятельному дуговому разряду ток продолжает пульсировать за счет дви-
жения катодного пятна (для «холодного» катода).
Поскольку ток в цепи электрода дугового разряда обеспечивается в основ-
ном термоавтоэлектронной эмиссией, то вид ВАХ определяется материалом ка-
тода. При этом пороговые параметры Ua, In существенно зависят от электрофи-
зических (работы выхода и потенциала ионизации) и тепловых (температуры
плавления и кипения, теплопроводности) характеристик металла. Чем больше
работа выхода, потенциал ионизации и температуры плавления, тем выше зна-
чение порогового тока, при котором осуществляется переход от диффузного раз-
ряда к дуговому и его устойчивое горение.
Для генерации материала катода используются электродуговые испарители
металлов, плотность тока в катодном пятне которых 1О6...1О7 А/см2. Катодное
пятно включает в себя эмигрирующий участок катода, область катодного паде-
ния потенциала, в которой сосредоточен положительный пространственный за-
ряд, и наиболее яркую светящуюся часть —• область ионизации.
При работе электродугового испарителя металла в коаксиальной конструкции
ускорителя катодные пятна стремятся уйти на боковую поверхность катода. Это
исключает возможность осаждения пленок на подложки, расположенные над
торцевой поверхностью катода. Для удержания катодных пятен на торцевой
поверхности катода используют два вида конструкций:
1. Боковая поверхность катода, не подлежащая испарению, прикрыта экра-
ном, изолированным от электродов испарителя. Катодное пятно, попадая на бо-
ковую поверхность катода (под экран), прекращает свое существование, так как
прерывается поток плазмы, образованной при ионизации пара металла и служа-
щей проводником тока между катодным пятном и анодом. Каждый материал
имеет пороговое значение тока /Пор, при котором на катоде существует одно ка-
тодное пятно. При Л>/пор число пятен увеличивается пропорционально току.
Рис. 7.19. Вольт-амперная характе-
ристика вакуумно-дугового разряда:
44, /о — соответственно пороговое напря-
жение и ток перехода диффузионного
разряда в дуговой
Рис. 7.20. Схема плазменного уско-
рителя, работающего в стационар-
ном режиме:
/ — катод; 2 — экран; 3 — анод; 4 —соле-
ноид; 5 — устройство поджига; 6 — под-
ложка
19 Заказ № 1270
289
В этом случае при попадании катодного пятна под экран дуга поддерживается
другими пятнами на катоде. Вероятность погасания дуги тем меньше, чем боль-
ше катодных пятен находится на торцевой поверхности катода, т. е. чем больше
ток дуги /1.
2. Удержание катодного пятна на поверхности испарения катода осуществ-
ляется с помощью магнитного поля. При стремлении катодного пятна уйти на
боковую поверхность катода радиальная составляющая силы, возникающей при
взаимодействии тока с направленным под углом к нему магнитным полем, удер-
живает катодные пятна на поверхности испарения. При этом пороговый ток
снижается.
Коаксиальная геометрия электродов (рис. 7.20) позволяет осуществить на-
правленное движение плазменного потока вследствие сил, воздействующих на
плазму в скрещенных электрических и магнитных полях, устранить изотропный
разлет плазмы. Вследствие этого можно значительно повысить коэффициент ис-
пользования материалов.
Высота коаксиального катода ограничивается перепадом на нем температу-
ры и должна выбираться в соответствии с теплопроводностью материала, из ко-
торого он изготовлен. Для материала с высокой теплопроводностью высота ка-
тода ограничивается сверху (0,5dK, где dK — диаметр катода), так как по мере
расходования катода в силу уменьшения телесного угла обзора его рабочей по-
верхности уменьшается КПД использования генерируемой катодом плазмы.
Большое влияние на работу ускорителя оказывают также геометрия и тепло-
вой режим анода. Форма вакуумного разряда на аноде зависит от соотношения
тока разряда и электронного тока из прианодной плазмы. Режим диффузного го-
рения разряда на аноде с отрицательным анодным падением реализуется при
условии
7р (1 /4) tleVgSа,
Где пе — концентрация электронов у анода; ve — тепловая скорость электронов;
Sa — площадь анода.
Это условие обеспечивает безэрозионные условия работы анода в ускори-
теле.
Для зажигания дугового разряда в вакууме кратковременно создают в раз-
рядном промежутке проводящую среду. Единственным существенным процессом,
создающим ситуацию вакуумного пробоя вплоть до самого развития последнего,
является автоэлектронная эмиссия катода, т. е. на катоде должны возникнуть
условия, обеспечивающие интенсивную эмиссию основных носителей тока —
электронов с высоким КПД. Такие условия могут возникнуть лишь при на-
личии у поверхности катода плазменного облака, обеспечивающего создание в
прикатодной области достаточно высокой локальной напряженности электриче-
ского поля, при которой возможна автоэлектронная эмиссия.
Плазменное облако можно создавать: испарением за счет омического на-
грева зоны контакта, лазерным разогревом, высоковольтным пробоем (несколько
тысяч вольт) между электродами по поверхности изолятора; за счет ионизации
водорода, выделенного из гидрида титана, из которого изготавливается поджи-
гающий электрод; за счет взрыва проволочек при пропускании через них тока
большой силы, а также «бесконтактным» способом за счет подачи плазменной
струи в зону с повышенной напряженностью и последующего перевода катод-
ного пятна на рабочую поверхность.
Наиболее часто используется электромеханическая система инициирования
разряда, обладающая надежностью и простотой. Она не вносит загрязнений в
генерируемую плазму. В конструкцию плазменных ускорителей входит также
коаксиально расположенный соленоид. От места расположения его относительно
электродов зависят основные параметры работы плазменного ускорителя. Элект-
ромагнитное поле, создаваемое соленоидом, выполняет несколько функций. По-
скольку соленоид укороченный (высота 30...40 мм), то основную роль играет
поле не внутри соленоида, а на его торцах. Силовые линии магнитного поля
ориентированы не по нормалям к катоду и электрическому полю, а образуют
с ними некоторый угол. В местах, где магнитное поле направлено вдоль оси
плазменного столбца, а электрическое — по его радиусу, вектор скорости движе-
ния плазмы будет направлен по касательным к окружности. Вращение плазмы
290
способствует ее устойчивому удержанию магнитным полем. Кроме того, ка<
пельная фаза из катодного пятна, двигаясь в плазме, заряжается отрицатель-
но; под действием внешнего электрического поля анода и центробежных сил
вращающейся плазмы капли прижимаются к периферии плазменного потока.
Располагая подложки по центру плазменного потока, можно исключить попада-
ние макрочастиц в наносимую пленку и сохранить ее однородность по разме-
рам кристаллов.
И наконец, последний параметр, с помощью которого можно управлять
энергией заряженных частиц,— это вытягивающий потенциал на подложку. По-
скольку в присутствии магнитного поля степень ионизации значительно повыша-
ется, внешнее электрическое поле позволяет вытягивать из плазмы на отрица-
тельно заряженную подложку значительные положительные ионные токи.
Модификацию свойств пленок приводят дополнительным облучением рас-
тущей пленки из автономного источника ионов. Такое облучение вызывает рост
дефектов, распыление загрязнений и сорбированных газов, активацию поверх-
ности и другие эффекты, поэтому можно управлять свойствами растущих пле-
нок, в частности структурой, адгезией, электропроводностью, механическими мик-
ронапряжениями и химическим составом. Если дополнительное облучение про-
водить ионами инертных газов, то происходит модификация структуры без из-
менения химического состава. Бомбардировка пленки ионами химически актив-
ных газов позволяет получать новые химические соединения и выращивать
пленки сложного состава, в частности керметы, твердые растворы и т. д. На-
пример, облучение растущей алюминиевой пленки потоком ионов кислорода до
концентрации их атомов в пленке 1018...1019 см-3 стабилизирует структуру, при
концентрациях 1019...6-1022 см-3 образуются слои из диэлектрических включе-
ний, что сопровождается ростом сопротивления пленки. Если концентрация ато-
мов кислорода превысит 6*1022 см , то формируются диэлектрические покры-
тия с удельным сопротивлением 1О7...1О9 Ом-см.
Принцип действия и параметры магнетронных распылительных систем. Маг-
нетронные системы относятся к системам распыления диодного типа, в которых
распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени
ионами рабочего газа (обычно аргона), образующимися в плазме аномального
тлеющего разряда. Высокая скорость распыления достигается увеличением плот-
ности ионного тока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности
мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.
Принцип действия магнетронной распылительной системы (МРС) ясен из
рис. 7.21. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и
магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полю-
сами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами
входа и выхода силовых линий маг-
нитного поля, интенсивно распыляется
и имеет вид замкнутой дорожки, гео-
метрия которой определяется формой
полюсов магнитной системы.
При подаче постоянного напряжения
между мишенью (отрицательный потен-
циал) и анодом (положительный или
нулевой потенциал) возникает неодно-
родное электрическое поле и возбуж-
дается аномальный тлеющий разряд. На-
личие замкнутого магнитного поля у
распыляемой поверхности мишени позво-
ляет локализовать плазму разряда не-
посредственно у мишени. Эмиттирован-
ные с катода под действием ионной бом-
бардировки электроны захватываются
магнитным полем, им сообщается слож-
ное циклоидальное движение по замкну-
тым траекториям у поверхности мишени.
Электроны оказываются как бы в ло-
вушке, создаваемой, с одной стороны,
г
Рис. 7.21. Схема магнетронной рас-
пылительной системы с плоской ми-
шенью:
1 — катод-мишень; 2 — магнитная систе-
ма; 3 — источник питания; 4 — анод; 5 —
траектория движения электрона; 6 — зона
распыления; 7 — силовая линия магнитно-
го поля
19*
291
магнитным полем, а с другой — поверхностью мишени, отталкивающей электроны.
Электроны циклируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько
ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых
электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом,
большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется
на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность про-
цесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов
у поверхности мишени. Это, в свою очередь, обусловливает увеличение интен-
сивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыле-
ния, а следовательно, и скорости осаждения пленки.
Средние скорости осаждения различных материалов при помощи магнетрон-
ной распылительной системы, имеющей плоскую дисковую мишень диаметром
150 мм, источник 4 кВт и подложки, расположенные на расстоянии 60 мм от
него, приведены ниже:
Материал . Si Ti Та W Nb Mo Al Cr Pt Cu Au Ag
Скорость осаж-
дения, нм/с .7 8 8 8 8,5 12 13 17 21 30 37 44
Плазма разряда существует только в области магнитной ловушки в непо-
средственной близости от мишени, и ее форма определяется геометрией и ве-
личиной магнитного поля.
Источниками нагрева подложки в этих системах служат энергия конденса-
ции распыленных атомов, кинетическая энергия осаждаемых атомов, энергия
отраженных от мишени нейтрализованных ионов, а также излучение плазмы.
Энергия конденсации составляет 3...9 эВ/атом, кинетическая энергия в зависи-
мости от распыляемого материала — от 5 (для алюминия) до 20 эВ/атом (для
вольфрама), а излучение плазмы 2...10 эВ/атом. Суммарная тепловая энергия,
рассеиваемая на подложке, и температуры подложки для различных материа-
лов, испаряемых в цилиндрической МРС, приведены ниже:
Материал....................
Тепловая энергия, эВ/атом
Температура подложки, К
А1 Си Та
13 17 20
352 383 370
Cr Au Mo W
20 23 47 73
391 379 436 475
Магнетронные распылительные системы применяют для нанесения пленок на
подложки из материала с малой термостойкостью (пластики, полимеры, орг-
стекло и т. д.).
Основные рабочие характеристики МРС: напряжение на электродах, ток
разряда, плотность тока на мишени и удельная мощность, индукция магнит-
ного поля и рабочее давление. Напряжение питания не превышает 1000 В по-
стоянного тока. Рабочее напряжение составляет 300...700 В, на мишень обычно
подается отрицательный потенциал, а анод имеет нулевой потенциал. Однако в
МРС с плоским катодом для более полного улавливания вторичных электронов
рекомендуется на анод подавать небольшое положительное смещение (40...50 В).
В некоторых системах предусматривается подача отрицательного напряжения
смещения на подложку (до 100 В) для реализации распыления со смещением.
Ток разряда зависит от многих факторов, например от рабочего напряжения,
давления и рабочего газа, индукции магнитного поля, конфигурации магнетрон-
ной системы, распыляемого материала, и определяется мощностью источника
питания. Плотность тока на мишени очень велика и для систем с полым ци-
линдрическим катодом составляет в среднем 80 мА/см2, с коническим катодом —
160 мА/см2, а с плоским катодом —200 мА/см2, причем максимальные плотно-
сти тока в центральной части зоны распыления могут быть значительно выше.
Значения удельной мощности в МРС с полым цилиндрическим катодом достига-
ют 40 Вт/см2, а с плоским катодом — 100 Вт/см2. Предельно допустимая мощ-
ность определяется условиями охлаждения машины и теплопроводностью рас-
пыляемого материала.
Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давле-
ний 10“2...1 Па и выше. Важнейшими параметрами МРС, во многом определяю-
щими характер разряда в ней, являются геометрия и магнитное поле, индукция
которого у поверхности мишени 0,03...0,1 Тл.
292
Рис. 7.22. Вольт-амперные характе-
ристики планарной магнетронной си-
стемы распыления с алюминиевой
мишенью размером 40x60 см при
постоянном магнитном поле 0,03 Тл
и различном давлении аргона
B-0J3U
Рис. 7.23. Вольт-амперные характе-
ристики магнетронной системы рас-
пыления с алюминиевой мишенью
диаметром 160 мм при постоянном
давлении аргона 0,3 Па и различ-
ной индукции магнитного поля
Одной из основных характеристик разряда служит вольт-амперная харак-
теристика (ВАХ). Существенное влияние на нее оказывают рабочее давление р
и индукция магнитного поля В. С уменьшением р ВАХ сдвигаются в область
больших рабочих напряжений и приближаются к линейной зависимости
(рис. 7.22). Аналогично влияет и индукция магнитного поля (рис. 7.23), но за-
висимости, близкие к линейной, наблюдаются при больших значениях В. На
ВАХ разряда влияют также материал мишени (рис. 7.24) и ее форма, которая
видоизменяется по мере распыления материала. Образование выемки в плоской
мишени приводит к сдвигу ВАХ в область меньших рабочих напряжений из-за
улучшения условий локализации плазмы, причем этот сдвиг растет с увеличе-
нием р (рис. 7.25). В этом случае определяющим является не только геометри-
ческий фактор, но и переход зоны разряда в область более сильного магнит-
ного поля по мере распыления мишени.
। »
350 400 450 500 ЩВ
Рис. 7.24. Вольт-амперные характе-
ристики магнетронной системы рас-
пыления с плоской мишенью из
алюминия (/) и меди (2) при по-
стоянном давлении 0,5 Па и индук-
ции магнитного поля 0,08 Тл
Рис. 7.25. Вольт-амперные характе-
ристики магнетронной системы с ко-
нической новой (сплошные линии)
и эродированной (штриховые ли-
нии) мишенями при индукции маг-
нитного поля 0,06 Тл и различном
давлении аргона
293
Рис. 7.26. Зависимость скорости
осаждения v различных материалов
от мощности разряда №р (подложка
перемещается со скоростью 8 см/мин
на расстоянии 6 см от мишени раз-
мером 13X38 см)
Рис. 7.27. Зависимость мощности
разряда от рабочего давления
аргона р при различной индукции
магнитного поля (мощность источ-
ника питания постоянна)
Рис. 7.28. Зависимость мощности
разряда от индукции магнитного
поля В при различном давлении
аргона
Рис. 7.29. Зависимости напряжения
зажигания U3 от давления аргона р
при постоянной индукции магнитно-
го поля 0,06 Тл (/) и от индукции
магнитного поля В при постоянном
давлении 0,25 Па (2)
Важнейшим параметром разряда, определяющим скорость распыления, явля-
ется электрическая мощность, причем скорость осаждения пленки почти линейно
зависит от приложенной мощности (рис. 7.26). В свою очередь, мощность раз-
ряда при постоянной мощности источника зависит от р и В. В достаточно сла-
бых магнитных полях существует такое значение р, при котором на разряде вы-
деляется максимальная мощность (рис. 7.27). С ростом В (до 0,04 Тл) при низ-
ких значениях р мощность разряда сначала резко возрастает, затем замедляется
и при В = 0,08...0,1 Тл становится максимальной. При достаточно высоком р
максимальная мощность достигается уже при В=0,04...0,06 Тл (рис. 7.28). За-
висимость напряжения зажигания от давления аргона и индукций магнитного
поля аналогичны (рис. 7.29).
Энергетическая эффективность процесса распыления, определяемая зависи-
мостью коэффициента распыления от энергии ионов, имеет максимальное зна-
294
чение в диапазоне 300...500 эВ, который характерен для МРС. Поскольку в
МРС высокая эффективность процесса плазмообразования сочетается с высо-
кой эффективностью процесса распыления, то МРС характеризуется максималь-
ной энергетической эффективностью по сравнению со всеми другими видами рас-
пылительных систем (в 5...6 раз превышает эффективность диодных систем без
магнитного поля).
7.4. Методы определения толщины пленок
Для контроля толщины и скорости напыления пленок разработаны различные
методы: оптический, резистивный, емкостный, ионизационный, частотный.
Оптические методы. Эти методы основаны на явлениях поляризации, интер-
ференции, отражения и пропускания света.
Метод отражения (пропускания света пленкой, осаж-
денной на прозрачной подложке). Поскольку в процессе напыле-
ния пленки ее толщина растет, интенсивность света, проходящего через пленку,
уменьшается, а отраженного увеличивается. Изменение интенсивности отражен-
ного света фиксируется фотоэлементом, на выходе которого стоит чувствитель-
ный прибор. Точность измерения толщины пленки оптическим методом не превы-
шает 10... 15%. Метод применяется только для измерения толщины тонких полу-
прозрачных пленок. Пленки толщиной порядка 60 нм и выше почти полностью
поглощают свет.
Бесконтактный фотометрический метод контроля. Осно-
ван на зондировании растущей пленки лучом лазера и анализе интерференцион-
ной картины света, отраженного от системы подложка — пленка, применяется
для процессов осаждения, травления, оксидирования и т. п. При прохождении
линейно поляризованного света в системе поглощающая подложка — прозрачная
пленка происходит его отражение на границах систем рабочая среда — пленка
и пленка — подложка. Вследствие интерференции коэффициент отражения света
R зависит от толщины пленки и с ее ростом изменяется.
Схема для проведения фотометрического контроля представлена на рис. 7.30.
Луч света лазера /, попадая на полупрозрачное зеркало 2, делится на два луча:
опорный /о и сигнальный /с. Сигнальный луч, отражаясь от зеркал 3 и 6, по-
падает на подложку Р, на которую осаждается пленка. После отражения от зер-
кала 7 луч проходит через диафрагму 10 и матовое стекло 11 на фотоприем-
ник 12, который регистрирует изменение коэффициента отражения света от рас-
тущей пленки.
Для устранения влияния помех, обусловленных нестабильностью мощности
излучения лазера, флуктуациями излучения
пропускания иллюминаторов (из-за возмож-
ного осаждения на них испаряемого мате-
риала), влиянием внешней засветки через
боковые иллюминаторы и другими причи-
нами, используется опорный луч. Опорный
луч проходит через рабочее пространство и
с помощью зеркал 5 и 8 через диафрагму
15 и матовое стекло 14 направляется на
фотоприемник 13. Поляроид 4 в тракте
опорного луча предназначен для настрой-
ки одинаковой освещенности фотоприемни-
ков 12 и 13 перед началом осаждения.
Метод эллипсометрии Осно-
ван на оценке изменения поляризации све-
та, отраженного от подложки с тонкой про-
зрачной пленкой на поверхности. При ос-
плазмы, изменением коэффициента
Рис. 7.30. Оптическая схема прибора кон-
троля толщины пленки фотометрическим
методом
295
Рис. 7.31. Схема эллип-
сометра:
1 — источник света: 2, 4 —
четвертьволновая пластина
(компенсатор); 3 — поляри-
затор; 5 — подложка; 6 —
анализатор; 7 — фотоприем-
ник
вещении подложки линейно поляризованным светом составляющие излуче-
ния (параллельная и перпендикулярная плоскости падения) отражаются по-
разному, в результате чего после отражения излучение оказывается эллипти-
чески поляризованным. Измеряя эллиптичность отраженной волны, определяют
свойства пленки, вызвавшей изменение поляризации.
Схема эллипсометра приведена на рис. 7.31. Эллипсометр представляет со-
бой установку, позволяющую поляризовать монохроматический свет под опре-
деленным углом относительно плоскости падения и направлять его под опреде-
ленным углом к поверхности подложки с исследуемой пленкой, а также измерять
эллиптичность поляризованного света и ориентацию его главных осей относитель-
но плоскости падения. Он содержит источник света с фильтром, обеспечиваю-
щим монохроматичность. Поляризатор и анализатор можно вращать с точным
фиксированием углов вращения. Быстрая ось четвертьволновой фазовой пласти-
ны (компенсатора) установлена под углом 45° к плоскости падения света.
Детектором отраженного излучения может служить фотодиод. Вращением поля-
ризатора добиваются такой эллиптичности света после прохождения компенса-
тора, чтобы свет, отраженный от исследуемой пленки, стал линейно поляризо-
ванным. Это значит, что суммарный сдвиг фазы в результате действия компен-
сатора и отражения от пленки и подложки должен быть равен 0 или 180°. Ори-
ентация линейно поляризованной волны измеряется с помощью анализатора. По-
ложения поляризатора и анализатора, соответствующие минимальному сигналу
детектора, фиксируются, и по ним рассчитываются параметры, определяющие
толщину пленки.
Резистивный метод. В основу метода положен принцип контроля сопротив-
ления по «свидетелю». «Свидетель» представляет собой прямоугольную конст-
рукцию подложки с размещенными на ней контактными площадками (рис. 7.31).
Количество размещенных на нем свободных от контактных площадок квадратов
n = yb. Процесс осаждения резистивных и проводящих пленок контролируют по
сопротивлению на квадрат, т. е. /?□ =p/d при 1 = 6. Учитывая количество квад-
ратов на «свидетеле», процесс напыления прекращают при достижении заданного
значения сопротивления на «свидетеле».
«Свидетель» (7?св) включают в мостовую схему управления (рис. 7.32). Точ-
ность измерения толщины резистивным методом 5... 10%. На этом методе основа-
на работа приборов КС-1 и КС-2. Этот метод вносит некоторую систематиче-
скую погрешность в измерение R. Погрешность связана с условиями контакти-
рования резистивных и контактных слоев при разной последовательности их
нанесения, а также с тем, что при образовании контактных соединений пленоч-
ных элементов возможно появление интерметаллических соединений, увеличи-
вающих переходное сопротивление.
Применяют четырехзондовый метод
влияние переходных сопротивлений.
«Свидетель» в этом случае имеет четыре
контакта (рис. 7.33, а) и включается в
схему, показанную на рис. 7 33, б По
«свидетелю» /?св и одному из эталон-
ных резисторов R3 течет ток 1] = 12 от
стабилизированных источников тока ГТ,
который не зависит от этих сопротивле-
ний и переходных сопротивлений. При
/?св=/?э мост будет сбалансирован, по-
тенциал точки А будет равен потен-
измерения, при котором исключается
Рис. 7.32. «Свидетель» для двухзон-
дового измерения сопротивления:
1 — контактная площадка; 2 — ситалл
296
Рис. 7.33. Схема измерения четырехзондовым методом:
а —«свидетель» для четырехзондового измерения;
1 — контактная площадка; 2 — ситалл: б — схема измерения четырехзондовым методом
Рис. 7.35. Измерение скорости напыления
ионизационным манометром:
/ — ионизационный манометр; 2 —подложка; <3 —
вращающаяся заслонка; 4 — экран; 5 — испаритель
Рис. 7.34. Емкостный датчик:
1 — гребенчатые контакты; 2 — на-
пыляемая пленка
циалу точки В; срабатывает нуль-орган, с которого усиленный сигнал подается
на схему управления процессом осаждения.
Емкостной метод. Этот метод заключается в измерении емкости специаль-
ного конденсатора (рис. 7.34), диэлектриком которого служит напыляемая плен-
ка, поэтому им можно контролировать толщину и скорость осаждения только
диэлектрических пленок. Точность измерения толщины 3...5% при ширине про-'
водника и зазора 0,2 мм (прибор ЕИТ-1).
Ионизационный метод контроля скорости напыления вещества. Он основан
на измерении ионного тока паров напыляемого вещества. Перед ионизационным
манометром (рис. 7.35) помещается заслонка, прерывающая поток паров с ча-
стотой 10...20 Гц. Пары вещества импульсами попадают в объем ионизационного
манометра. В цепи коллектора манометра протекают два тока: постоянный ион-
ный, характеризующий давление в вакуумной системе, и переменный, характе-
ризующий режим испарения. Переменная составляющая ионного тока усилива-
ется узкополосным усилителем и является мерой скорости испарения. Исполь-
зование токового интегратора для переменной составляющей обеспечивает опре-
деление толщины пленки. Этот прибор универсален и точен, позволяет производить
непрерывный контроль многих сотен пленок. Он может быть использован
для стабилизации процесса напыления. Поддержание постоянной скорости ис-
парения обеспечивается цепью обратной связи, воздействующей на мощность,
подводимую к испарителю. Прибор устойчив к температурным воздействиям.
297
К недостаткам этого метода следует отнести относительную громоздкость
схемы и необходимость тщательной градуировки измерительного прибора для
каждого вещества. Датчик крайне критичен к воздействиям переменных, маг-
нитных полей. При напылении диэлектрических пленок затруднительно измере-
ние толщины и скорости осаждения.
Достоинства ионизационного метода — высокая точность (до 1%), широкие
пределы измерения (от единиц до нескольких сотен нм/с) при напылении ме-
таллических пленок. Метод реализован в отечественных приборах ИСТИ-1,
ИСТИ-2.
Частотный метод. Он основан на измерении отклонения резонансной часто-
ты пьезоэлектрического кварцевого вибратора. Отклонение обусловлено измене-
нием массы кварцевой пластины при напылении на нее тонкой пленки. Пьезо-
электрические свойства пластин кварца в первую очередь определяются кри-
сталлографической ориентацией срезов по отношению к главным осям монокри-
сталла. В данном случае срез должен обеспечивать возбуждение сдвиговых ко-
лебаний по толщине пластины и иметь по возможности более низкий темпе-
ратурный коэффициент частоты. Обычно используют кварцевый кристалл с резо-
нансной частотой f0= (n/2d) (С/р)1/2, где С, р и d — соответственно модуль уп-
ругости, плотность и толщина кварцевой пластины; п — целое число.
При напылении на поверхность кварцевой пластины тонкой пленки толщина
кварцевой пластины изменяется на Ad, что вызывает изменение резонансной час-
тоты на АД Так как существенного изменения модуля упругости и плотности
не происходит, то &f/fo=&d/d. Если площадь кварцевого кристалла S, масса /и,
а плотность материала наносимой пленки рпл, то &d=mAf/(piwSfo).
Все параметры, входящие в формулу, кроме АД практически постоянны,
поэтому основная задача состоит в измерении отклонений резонансной частоты
АД Чувствительность метода при напылении металла 10...20 Гц/нм. Погрешность
измерений не превышает ±5%. Этот метод универсален, т. е. позволяет изме-
рять в процессе напыления толщину любых по составу пленок.
Глава 8
Фотошаблоны и технология их изготовления
8.1. Общие сведения, термины и определения
Общие сведения. Фотошаблон (ФШ)—плоскопараллельная пластина из
прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания
непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков на
основе пленочного покрытия, образующих топологию одного из слоев структуры
прибора или группы приборов, многократно повторенных в пределах активного
поля пластины. Фотошаблон является одним из основных инструментов при со-
здании заданного рельефного защитного покрытия при проведении фотолитогра-
фии в планарной технологии. В зависимости от материала пленочного покрытия
различают ФШ на основе фотографической эмульсии (эмульсионные ФШ), ме-
таллической пленки (металлические ФШ) и других материалов, например окиси
железа (цветные ФШ).
Эмульсионные фотошаблоны изготовляют фотографическим способом. Вна-
чале с помощью координатографа создают методом вычерчивания или выреза-
ния оригинал (увеличенное изображение конфигурации слоя). Затем в 1—3 прие-
ма оригинал последовательно уменьшают на редукционной камере. Отдельное
изображение многократно экспонируют на фотопластине и получают эталонный
ФШ для последующего изготовления копии. Схема изготовления фотошаблонов
методом последовательного уменьшения приведена на рис. 8.1.
Конфигурация пленочного покрытия в ФШ может задаваться также элект-
ронно-лучевой обработкой либо удалением части материала, либо изменением его
оптических свойств (превращения из оптически прозрачного в оптически непро-
зрачный либо наоборот).
298
Рис. 8.1. Схема изготовления фотошабло-
нов методом последовательного умень-
шения:
1 — оригинал; 2 — объектив; 3 — промежуточный
фотошаблон; 4 — объектив фотоповторителя; 5 —
эталонный фотошаблон; 6 — координатный стол
При изготовлении ФШ наиболее рас-
пространен трехступенчатый метод, окан-
чивающийся изготовлением эталонного фо-
тошаблона. В его основе лежат три про-
цесса (рис. 8.2).
Первый процесс — изготовление ори-
гинала. Оригинал представляет собой еди-
ничное увеличенное изображение модуля
фотошаблона. Изготавливается на прозрач-
ной подложке (стекле или полимерной
пленке) способом подрезки эмалевого ли-
бо другого покрытия резцом. Участки по-
крытия, прорезанные резцом по контуру,
удаляются механическим способом. Полу-
ченные окна заданной конфигурации яв-
ляются изображением элементов модуля
технологического слоя. Для изготовления
оригиналов применяют установки — коор-
динатографы, поозволяющие обеспечивать
высокую точность вырезания в пределах
Рис. 8.2. Методы изготовления фотошаблонов
±50 мкм. При уменьшении изображения на оригинале влияние неточности
вырезания становится пренебрежительно малым.
Второй процесс — изготовление промежуточного оригинала или уменьшенной
копии оригинала, выполненной на фотопластинах с высокой разрешающей спо-
собностью. Часто промежуточный оригинал хромируют или выполняют на цвет-
ных стеклах.
Третий процесс изготовления ФШ — мультиплицирование, которое осуществ-
ляется на фотоповторителях.
299
Второй технологический метод изготовления ФШ — двухступенчатый — состо-
ит из двух этапов: изготовления оригинала и мультиплицирования.
Термины и определения. В процессе изготовления фотошаблонов осуществ-
ляют контроль их параметров, для описания которых используют следующие тер-
мины и определения.
Воспроизводимость Дхд, Дг/в— абсолютное значение колебаний положения
кадров ФШ, полученного на фотоповторителе по обеим координатным осям по
отношению к положению соответствующих кадров других фотошаблонов, полу-
ченных на том же тубусе фотоповторителя в результате предыдущего или по-
следующего процесса мультипликации.
Зазор — расстояние d между двумя элементами структуры прибора, скопи-
рованными один за другим с разных стекол комплекта фотошаблонов (рис. 8.3).
Изображение структуры — фотографическое изображение топологии струк-
туры, представляющее собой сочетание освещенных и затененных участков в не-
которой плоскости пространства, называемой плоскостью изображения.
Кадр — часть рисунка фотошаблона, полученная за один процесс экспони-
рования. В кадре обычно содержится одна или несколько топологий структуры.
Колебание оптической плотности почернения Д5 фотошаблона — наиболь-
шая разность плотности почернения одинаковых элементов структуры, регистри-
руемая от кадра к кадру в пределах одного ФШ. Для правильной оценки раз-
броса Д$ необходимо одновременно приводить среднее значение S — плотности
почернения и ширину штриха, к которому это относится. Например, AS=0,3 ед.
при 5=2 ед. для &=3 мкм.
Колебание &Ь ширины элемента b — половина разности между максималь-
ной и минимальной шириной двух одинаковых элементов изображения. Величи-
на ДЬ складывается из неровности края, искажений оптической системы, нерез-
кости края и связана с колебаниями условий экспонирования от одного кадра
к другому и с неравномерностью освещения элементов структуры в пределах
одного кадра.
Металлизированный фотошаблон — фотошаблон, экранирующий рисунок ко-
торого представляет собой тонкую металлическую пленку, нанесенную на про-
зрачную стеклянную подложку.
Метки грубоприближенного совмещения — метки на фотошаблоне, позволяю-
щие правильно наложить при совмещении соответствующие строки и столбцы в
пределах одного комплекта фотошаблонов.
Наименьшая ширина элемента b — (признак сложности для одного фото-
шаблона или комплекта фотошаблонов) есть ширина наименьшего элемента в
данном комплекте фотошаблонов.
Негативное изображение — изображение, непрозрачные и прозрачные участ-
ки которого противоположны тону, указанному на чертеже фотошаблона.
Нерезкость (размытость) края ДЬ8 —ширина постепенного перехода от про-
зрачной к светонепроницаемой области в элементе изображения, иначе говоря,
Рис. 8.3. Зазор d между отпечатка-
ми совмещенных рисунков 1 и 2,
полученных с двух различных фото-
шаблонов
Рис. 8.4. К объяснению понятия
«размытость края»
300
ширина серой зоны изображения при переходе от белой области к черной
(рис. 8.4).
Неровность края ДЬ' —высота микронеровностей (зубцов) прямолинейного
края непрозрачного элемента фотошаблона или элемента топологии на полупро-
водниковой пластине, измеряемая как максимальное расстояние между впади-
нами и выступами (рис. 8.5).
Оптическая плотность почернения S—десятичный логарифм отношения све-
топроницаемости прозрачного участка к светопроницаемости непрозрачного уча-
стка поверхности ФШ при достаточной ширине элемента структуры. У очень
малых элементов оптическая плотность почернения зависит от ширины элемента
и должна быть особо обозначена, например S (1 мкм) для штриха шириной
1 мкм.
Оригинал первичный — увеличенный, поддающийся воспроизведению рису-
нок отдельной детали фотошаблона, обычно одной или нескольких отдельных
топологий структур изделия, предназначенный для изготовления фотошаблона
методом последовательного уменьшения и мультипликации.
Ошибка переноса — изменение размеров и формы элементов топологии, вы-
званное, например, несовершенством оптической системы, расфокусировкой, а так-
же процессами экспонирования, проявления и травления. Постоянные ошибки
переноса могут быть частично компенсированы предварительным учетом этих
ошибок и соответствующим заданием поля допусков при изготовлении ФШ.
Ошибка совмещения возникает при применении ФШ и слагается из ошибок,
получающихся в результате неправильного позиционирования ФШ по отноше-
нию к предыдущему рисунку на полупроводниковой пластине и в результате
смещений при любой деформации ФШ и пластины.
Первичная копия фотошаблона — копия, полученная контактным или про-
екционным методом с эталонного фотошаблона. Она служит для фотопечати
с нее рабочих копий фотошаблонов.
Плоскостность фотошаблона — отклонение поверхности фотошаблона от
идеальной плоскости, определяемой стрелой максимального прогиба его рабочего
поля в микронах или числом колец Ньютона, полученных при исследовании
этой поверхности с помощью интерферометра.
Позитивное изображение — изображение, непрозрачные и прозрачные участ-
ки которого соответствуют тону, указанному на чертеже фотошаблона.
Проколы — дефекты фотошаблона в виде мельчайших отверстий в непрозрач-
ных элементах изображения фотошаблона или темных точек на прозрачных
элементах изображения. Проколы количественно определяются плотностью де-
фектов. Она указывает, сколько проколов определенного диапазона величин со-
держится на 1 см2 фотошаблона в тех или иных его участках.
Промежуточный фотошаблон (оригинал)—фотошаблон с рисунком ориги-
нала после его фотографического промежуточного уменьшения в один или не-
сколько приемов с размножением изображения или без него.
Рабочее поле фотошаблона — часть плоскости фотошаблона, обычно пря-
моугольной формы, содержащая совокупность отдельных изображений.
Рис. 8.5. К объяснению понятия
«неровность края»
Рис. 8.6. К объяснению понятия
«ширина элемента»
301
Рабочий фотошаблон — фотошаблон, применяемый в фотолитографическом
процессе при изготовлении полупроводниковых структур контактной или про-
екционной печатью на полупроводниковую пластину, покрытую слоем фото-
резиста.
Совмещаемость комплекта фотошаблонов — характеристика комплекта ФШ,
позволяющая оценить наибольшее смещение отдельных элементов рисунка на
полупроводниковой пластине, полученных с помощью другого ФШ того же комп-
лекта при оптимальном наложении ФШ на пластину.
Структура прибора (транзистора, интегральной микросхемы и т. д.) есть
результат проведения всех процессов планарной технологии: фотолитографии,
диффузии, напыления и др., т. е. структура прибора — это определенным обра-
зом сформированный кристалл полупроводника, содержащий необходимые эле-
менты при заданном их взаимном расположении.
Топология структуры — рисунок (чертеж), включающий в себя геометриче-
ские размеры элементов структуры, их форму, положение и принятые геометриче-
ские допуски.
Точность шага — абсолютное значение колебаний расстояния между полу-
ченными на фотоповторителе кадрами ФШ по обеим координатным осям. Сред-
няя точность шага означает среднеквадратическое отклонение расстояний меж-
ду кадрами от среднего значения этого расстояния.
Фигура совмещения — специальный топологический рисунок в виде штри-
ха, щели, креста и т. д. для облегчения юстировки рабочего фотошаблона при
определении его совмещения с рисунком на полупроводниковой пластине.
Ширина элемента b — расстояние между двумя воображаемыми линиями
В\ и В2, соответствующими среднему прохождению двух краев К\ и Кз (рис. 8.6).
Элемент топологии — общее понятие для деталей топологии структуры.
Эталонный фотошаблон — первый фотошаблон в процессе изготовления с
полным набором изображений структур, с которого обычно получают рабочие
или первичные копии фотошаблонов.
8.2. Основное технологическое оборудование
для изготовления ФШ
Для изготовления ФШ МЭУ применяют координатографы, редукционную ка-
меру, фотоповторители, генераторы изображения, установки для контактной пе-
чати ФШ.
Координатографы. Координатограф представляет собой устройство, в кото-
ром каретка с инструментом перемещается по заданной траектории либо путем
вращения ходовых винтов вручную с визуальным отсчетом перемещений по лим-
бу, либо с помощью следящего электропривода, управляемого от специального
программного устройства или ЭВМ. В первом случае координатограф является
ручным, во втором — автоматическим. Перемещение каретки с инструментом мо-
жет осуществляться в декартовых и в полярных координатах, а также смешан-
ной системе координат. Схема устройства
координатного стола ручного координато-
графа приведена на рис. 8.7.
Наиболее распространенным инстру-
ментом являются резцы, позволяющие из-
готавливать рисунок на плакированном
Рис. 8.7. Схема устройства координатного
стола ручного координатографа:
1 — шпиндель перемещения каретки по оси х;
2 — х-направляющая; 3 — инструментальный крон-
штейн; 4 — х-контрнаправляющая; 5 — вращение
для перемещения по оси х; 6 — вращение для
перемещения по оси у; 7 — (/-направляющая;
8 — масштабная рейка оси у\ 9 — (/-каретка;
10 — координатный стол
302
стекле или специальных пленках. Часто в координатографах используется фото-
головка, с помощью которой рисунок засвечивается на фоточувствительном ма-
териале. Основные технические характеристики координатографов приведены
в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Характеристики координатографов
Модель Тип Размер оригинала, мм Минималь- ный шаг, мкм Точность, -т-МКМ Точность повторения, ±мкм 1 Скорость пе- ремещения по осям, мм/с Система управления Тип головки самописца
ЭМ701 Ручной 750X750 — 50 25 — Ручное уп- равление Резец-го- дограф
ЭМ707 800X800 — 50 25 — То же То же
ЭМ703 Автомати- ческий 1200X1200 25 50 25 100 Перфолен- та
ЭМ706 Полуавто- матический 1200X1200 25 50 25 25 Ручной ввод Резец-го- дограф
Редукционные камеры. Первичная съемка оригиналов осуществляется на
прецизионных редукционных камерах (рис. 8.8). В их состав входят экран с
источником света и диффузором для равномерности освещения, держатель ори-
гинала с вакуумной присоской, объектив, держатель объектива, кассета с фо-
топластинкой, устройство для контроля установки масштаба, размеров изобра-
жения и шага мультипликации.
В конструкции держателя оригинала предусматриваются специальные ме-
ханизмы, которые обеспечивают поворот держателя вокруг горизонтальной и
вертикальной осей и его фиксирование в отрегулированном положении. Это не-
обходимо для строгого регулирования параллельности плоскости объектива и
плоскости светочувствительного слоя фотопластин, а также перпендикулярности
этих плоскостей оптической оси объектива. Эти же требования относятся и к
держателю кассеты с фотопластиной.
Для контроля фокусировки и точности рисунка держатель кассеты оборудо-
ван микроскопом с окуляром-микрометром. Кроме этого на держателе имеются
оптические компараторы, сопряженные со штриховыми линейками для измере-
ния перемещений по осям х и у. В большинстве моделей редукционных камер
может быть обеспечена точность перемещения ±10 мкм.
Репродуцирование изображений с одновременной мультипликацией для по-
лучения групповых фотошаблонов может осуществляться с помощью растровых
редукционных камер, в которых используются многолинзовые (например, ка-
мера ЭМ-514) или многоотверстные системы.
В технологии ФШ применяют так называемые линзовые растры, представ-
ляющие собой набор из множества маленьких линз с коротким фокусным рас-
Рис. 8.8. Схема редукционной
фотокамеры:
1 ~ отражающий экран; 2 — источ-
ник света; 3 — рассеивающее стек-
ло; 4 —- держатель оригинала; 5 —
фильтр; 6 — объектив; 7 — кассета
с фотопластинами; 8 — микроскоп
303
стоянием, расположенных в одной плоскости. Общий размер растра и расстояние
между линзами должны соответствовать площади фотошаблона и шагу муль-
типликации. Каждая линза растра формирует свое изображение, и в результате
на поверхности пластины образуется множество изображений объекта, отно-
сительное расположение которых определяется положением линз растра.
Основные технические характеристики редукционных камер приведены в
табл. 8.2.
Таблица 8.2. Характеристики редукционных камер
Модель Максимальное рабочее поле ориги- нала, мм Размеры фо- топластины, мм Кратность уменьшения Условия освещения оригинала Точность пе- ремещения фотопластины в плоскости изображения, । мм Точность контроля раз- меров изобра- жения, мм
ЭМ-503А 750X750 90X120 10, 20, 30 Проходя- щий свет ±0,002 ±0,002
ЭМ-513 1200X1200 60X90 30, 40, 50 То же ±0,002 ±0,002
Фотоповторители. Вторичная съемка с окончательным уменьшением и муль-
типлицированием изображения является важнейшей операцией технологии из-
готовления ФШ. Эта операция выполняется фотоповторителями. Классификация
методов мультипликации приведена на рис. 8.9. В настоящее время наиболее
распространены оптико-механические методы мультипликации.
Однопозиционные фотоповторители представляют собой камеры проекцион-
ной фотопечати предварительно уменьшенных в определенном масштабе изо-
бражений оригинала (т. е. промежуточного оригинала) на пластину со свето-
чувствительным слоем. Эта пластина механически перемещается в плоскости
изображений. Когда она достигает определенной координатной позиции, на нее
экспонируется рисунок модуля. Местоположение каждой позиции определяется
прецизионной измерительной системой текущих координат и задается путем
ввода специальной программы мультипликации. На рис. 8.10 показана схема
однопозиционного фотоповторителя. Координатный стол, несущий пластину со
светочувствительным слоем, равномерно перемещается по направляющим отно-
сительно неподвижного тубуса проекционной системы, производя построчное
сканирование с экспонированием фотопластины.
Для повышения производительности процессов мультипликации и совмещае-
мости комплекта ФШ используются многопозиционные фотоповторители. В этом
случае несколько проекционных систем (обычно четыре, шесть или девять^ ком-
понуются в один блок, состоящий из заданного числа автономных осветителей
и оптических узлов, работающих одновременно. Это позволяет оперативно из-
готовить комплект ФШ (практически за один или два рабочих цикла) с доста-
точно высокой степенью совмещаемости, так как в этом случае все ФШ комп-
Рис. 8.9, Классификация методов мультипликации
304
лекта теоретически имеют одина-
ковые погрешности по шагу. Сле-
дует особо отметить, что проек-
ционная система каждого фото-
повторителя спроектирована на
определенный диапазон длин волн
в зависимости от вида используе-
мых светочувствительных мате-
риалов.
Важнейшим элементом проек-
ционной системы фотоповторите-
лей является высокоразрешаю-
щий объектив. Основные требова-
ния к объективам для прецизион-
ных фотоповторителей следующие:
сочетание высокой разрешающей
способности и больших рабочих
полей в выбранном диапазоне
длин волн при постоянном масш-
табе увеличения, корректировка
искажений и обеспечение мини-
мального падения разрешающей
способности от центра к пери-
ферии.
Из-за неплоскостности выпускаемых фотопластин и стекол ФШ большинство
фотоповторителей имеет систему автоматической подфокусировки. Основные па-
раметры фотоповторителей приведены в табл. 8.3.
Рис. 8.10. Схема ионизированного фото-
повторителя:
1 — источник света; 2 — конденсатор; 3 — проме-
жуточный фотошаблон; 4 — объектив; 5 — фото-
пластина; 6 — координатный стол; 7 — датчик
линейных перемещений; 8 — система управления
блоком экспонирования
Таблица 8.3. Характеристики фотоповторителей
Модель Максимальное перемещение стола, мм Метрологическая (абсолютная) точность пози- ционирования, мкм ! Воспроизводи- ! мость позициони- рования, мкм Количество пози- 1 ЦИЙ, шт. Степень автоматизации Кратность уменьшения Размеры промежуточ- ного ориги- нала, мм
ЭМ-505 60 ±2 ±1 1 Полуавто- мат 10 50Х50Х60Х Х60, 70X70
ЭМ-501 А 60 ±3 ±1 6 Автомат 10 50X50, 70Х Х70
ЭМ-515А 80 ±2,0 ±0,25 6 » 10 70X70
ЭМ-522 80 ±0,2 ±0,2 1 10 50X50, 70Х Х70
ЭМ-525 70X80 — ±0,25 6 10 32X32
ЭМ-528 450 ±10,0 — 1 2 90X120
ЭМ-552 140 ±0,5 ±0,5 1 10,4 70X70
Генераторы изображения. Для ускорения и удешевления проектирования
сложных интегральных узлов вместо координатографов и редукционных камер
в настоящее время используют генераторы изображений —• устройства, воспроиз-
водящие рисунок промежуточного ФШ по информации, поступающей в зако-
дированном виде непосредственно от ЭВМ. Генераторы изображений бывают
двух типов: со сканированием луча и микрофотонаборные установки.
В установках со сканированием луч света, управляемый от ЭВМ, сканирует
поверхность фотопластин путем последовательного прохождения строк, появляясь
и исчезая по заданной программе. При этом развертка осуществляется в одних
20 Заказ Кв 1270
Рис. 8.11. Схема генератора изо-
бражений:
1 — лампа-вспышка: 2 — конденсор-
ная система линз; 3 — щелевая на-
борная диафрагма; 4—6 — электродви-
гатели управления соответственно ши-
риной, длиной щели и углом ее по-
ворота; 1 — объектив; 8, 9 — интер-
ферометрические датчики перемещений
координатного стола по осям х и у',
10 — координатный стол; 11 — серво-
электродвигатели перемещения коор-
динатного стола; 12 — программное
устройство; 13 — ЭВМ
случаях благодаря перемещению стола, в
других при отклонении луча системой
зеркал, что менее точно. Для реализации
метода со сканирующим лучом требуются
высокочувствительные фотопластины.
Универсальным генератором изображе-
ния является фотонаборная установка, в
которой топологический рисунок на фото-
пластине набирается из отдельных элемен-
тов, размеры и разворот которых могут из-
меняться в соответствии с программой.
Этот метод обеспечивает высокую произво-
дительность благодаря рациональной раз-
бивке всего рисунка, сводя к минимуму
число экспозиций для набора всего ри-
сунка.
На рис. 8.11 показана схема генерато-
ра изображений.
В микрофотонаборной установке
ЭМ-508 использованы датчики на дифрак-
ционных решетах, обеспечивающие конт-
роль перемещения до ±0,5 мкм. Особенно-
стями установки ЭМ-519А являются кон-
струкция стола на воздушной подушке, бо-
лее высокая точность и система автомати-
ческой подфокусировки объектива. Кроме
того, установка позволяет высчитывать
структуры любой конфигурации из библио-
теки стандартных топологических рисунков.
Установки ЭМ-508 и ЭМ-519А могут ра-
ботать как на эмульсионных фотопласти-
нах, так и на фоторезисте. В установке
ЭМ-518, специально предназначенной для экспонирования ФШ, совмещены оба
метода генерации изображений.
Сканирование применяется для экспонирования протяженных элементов
ФШ. Остальные элементы ФШ образуются фотонабором. Это обеспечивает мак-
симальную производительность установки.
Таблица 8.4. Характеристика фотонаборных установок
Модель Диапазон перемещения координатно- го стола по осям X, У, мм Точность по- зиционирова- ния, ±мкм Воспроизво- димость по- зиционирова- ния, ±мкм Дискретность перемещений, мкм Размер пластины, мм Масштаб уменьшения
ЭМ-508 40 1,5 1 2,5 70X70 25: 1
ЭМ-511 40 — 2 — 70X70
ЭМ-518 40X60 2,5 — 10 70X70 10: 1
ЭМ-519А 75 1,5 0,5 1 70X70 10:1; 2:1
ЭМ-519Б 80 0,5 0,2 1 70X70 10: 1; 4: 1
ЭМ-533 80ХЮ0 1,5 0,2 0,5 80X100 10: 1; 4:1; 2:1
ЭМ-527 80X80 0,2 0,2 2 80X80 10: 1
ЭМ-549 140X140 0,5 0,5 1 70X70 10: 1; 4:1; 2:1
Примечав» 1>тутно-кварцев. г е. Для всех типов фотонаборных установок ая лампа, рабочая длина волны 405...436 мкм. источник экспонирования —
806
Рис. 8.12. Схема установки для контактной печати фотошаблонов:
/ — зажимное кольцо; 2— резиновая диафрагма; 3 — резиновые прокладки; -/ — металли-
ческая пластина; 5 — фоторезистовая пластина; 6 — уплотняющее резиновое кольцо;
7 _ эталонный фотошаблон; 8 — прижимная рамка; 9 — конденсатор; 10 — лампа; // — зер-
кало; 12 — корпус
Аналогичное совмещение методов использовано и в установке для монтажа
микроизображений ЭМ-533, предназначенной для получения фотошаблонов
СБИС. Модели генераторов изображений могут работать в двух режимах: фо-
тонабора и фотоповторителя (установки ЭМ-519Б и ЭМ-527). Характеристики
фотонаборных установок приведены в табл. 8.4.
Контактная часть ФШ. Распространенным методом размножения ФШ и
получения рабочих копий является контактный метод. В большинстве систем
контактной печати используется вакуумно-копировальная рамка (рис. 8.12) вме-
сте с осветительной системой. Источником света служит ртутно-кварцевая лам-
па типа ДРШ-500 (или ДРШ-250). Для улучшения равномерности освещения
в установках имеется конденсатор и сканирующий фотометр. Для исключения
ошибок экспонирования применяют дозатор энергии экспонирования (например,
в установке ЭМ-523).
Зависимость размеров фотоизображения от времени экспозиции можно ис-
пользовать для исправления некоторых неточностей в размерах критических эле-
ментов, имеющихся в базовом (эталонном) ФШ, если эти источники одного и то-
го же знака. При этом, как правило, легче в процессе экспонирования позитив-
ного фоторезиста увеличить размеры окошек по сравнению с размерами на базо-
вом ФШ, чем их уменьшить. Некоторое увеличение размеров (на 1...3 мкм) мо-
жет быть достигнуто увеличением экспозиции в 1,5...2 раза.
8.3. Конструкция фотошаблонов
Фотошаблоны по виду подложек бывают стеклянные (кварцевые), пленоч-
ные и масочные (со сквозными отверстиями). К ФШ и исходной фотошаблон-
ной заготовке (ФШЗ) предъявляются следующие требования: улучшенная плос-
костность пластин ФШЗ; высокая чистота обработки и однородность поверх-
ности; возможность использования в спектральной области длин волн 180...
...300 нм; минимальный коэффициент отражения поверхности маскирующего слоя
в спектральном диапазоне оптического излучения; малый температурный коэф-
20*
307
фициент расширения стекла (TKPJ; высокая термостойкость и износоустойчи-
вость ФШ при эксплуатации.
Неплоскостность стеклянных пластин ФШЗ приводит к так называемому те-
невому эффекту. Многостадийное шлифование и полирование, прецизионный
контроль обеспечивают высокий уровень плоскостности ФШЗ различных геомет-
рических размеров (102X102... 178X178 мм). Достоинством ФШЗ на основе
кварцевого стекла является пропускание оптического излучения в диапазоне
длин волн 180...300 нм, что позволяет снизить уровень дифракционных искаже-
ний элементов топологии за счет применения УФ-литографии. При проведении
процессов коротковолновой УФ-литографии не требуется учитывать тепловое воз-
действие источников излучения, так как ТКР кварцевого стекла на порядок мень-
ше, чем обычного щелочного. Температурный коэффициент расширения квар-
цевого стекла составляет 5,6-10~7 К-1 (ТКР щелочного стекла равен
8,5-10~6 К-1). Малое значение ТКР уменьшает отклонение геометрических раз-
меров изображения на ФШ при изменении температуры в процессе литографии,
а также при различных термических воздействиях при обработке ФШЗ. Приме-
нение ФШЗ на основе кварцевого стекла улучшает износостойкость ФШ при
эксплуатации. Считается, что эта характеристика связана с ростом дефектности
маскирующего слоя при термообработке. Устойчивость к истиранию маскирую-
щего слоя на кварцевом стекле в 1,5...2 раза выше, чем на щелочном.
При хранении и химической обработке ФШ на их поверхности могут про-
исходить сорбция загрязнений и захват механических частиц, обусловленные
электростатическим зарядом поверхности. Статический заряд поверхности стекла
можно уменьшить при нанесении тонкой прозрачной токопроводящей пленки на
основе окислов индия, олова и других металлов.
Антистатические покрытия сложного состава (InxSnyOz) , уменьшающие сорб-
цию поверхностных загрязнений и обеспечивающие исправление исходных дефек-
тов стекла, также защищают его поверхность от проникновения в объем мас-
кирующей пленки атомов щелочных металлов, бора и фосфора. Антистатические
покрытия улучшают условия электронно-лучевого экспонирования благодаря го-
могенным свойствам поверхности маскирующего слоя, однородности вторичной
электронной эмиссии, эффективному стоку зарядов с поверхности ФШЗ.
По виду маскирующих покрытий ФШ делятся на эмульсионные, металли-
зированные, полупроводниковые, фоторезистивные, диффузионные, а также без
покрытия, осуществляющие требуемую модуляцию светового потока фазовым
методом.
Оптические свойства материалов ФШ. Оптические и механические свойства
подложек влияют на точностные параметры, качество изображения и энергети-
ческие характеристики систем формирования микроизображений. Спектральные
Рис. 8.13. Спектры пропускания стекол, используемых для изготовления под-
ложек фотошаблонов:
/ —КУ-1, d=10 мм; 2 — КУ-2, d=10 мм; 3 — КВ-Р, d= 10 мм; 4 — УФС-5, d=3 мм;
5 — КВ, <2=10 мм; 6 — ФФС-2, d=10 мм; 7 — флюорит, d=*7 мм; 8 —> К-8, с?=10 ММ;
9 — натриево-кальциевое стекло, d=3 мм
308
Рис. 8.14. Спектры пропускания мас-
кирующих покрытий фотошаблонов:
/ — хром; 2 — окись хрома с подслоем
хрома; 3 — окись железа; 4 — диоксид
кремния
Рис. 8.15. Спектры отражения маскирующих покрытий фотошаблонов:
/ — окись хрома с подслоем хрома; 2 — хром, полученный методом термического распы-
ления; 3 — хром, полученный ионно-плазменным методом напыления
коэффициенты пропускания света материалов, т^, наиболее широко используе-
мых для изготовления подложек ФШ, приведены на рис. 8.13.
Оптические свойства маскирующего покрытия также определяют качество
изображения. Важнейшими оптическими параметрами покрытий являются спект-
ральные коэффициенты пропускания тх и отражения света р^. На рис. 8.14
и 8.15 представлены спектральные коэффициенты пропускания и отражения све-
та ряда маскирующих покрытий, используемых для фотошаблонов.
Обычно оптическая плотность маскирующего покрытия толщиной 80... 120 нм
лежит в диапазоне d=lg (1/т) = 1,5...2, т. е. ослабляет излучение в 30... 100 раз.
Через маскирующее покрытие проходит несколько процентов оптического излу-
чения, которое, с одной стороны, интерферируя с основным потоком, дает на
краю элементов осциллирующую картину, контраст которой может быть значи-
тельным и при наличии порогового регистрирующего фотоматериала может при-
водить к эффекту оконтуривания изображения, двоения края элементов. С дру-
гой стороны, наличие отраженного от маскирующей поверхности ФШ света при-
водит к явлениям многократного отражения и образованию стоячих волн в толще
фоторезиста. Для устранения этих эффектов используют маскирующие покрытия
с большим коэффициентом поглощения света, но с малым коэффициентом отра-
жения. Однако материалы с большим поглощением (металлы) имеют и большое
отражение, а материалы, обладающие малым коэффициентом отражения света
(диэлектрики), имеют малое поглощение, поэтому оптимальный выбор маски-
рующего покрытия затруднен.
С точки зрения оптических свойств рационально применение окисных по-
крытий (окиси хрома, окиси железа, моноокиси кремния), пленок нитрида хрома,
пленок на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП).
Эмульсионные ФШ принципиально не могут обеспечить высокую разрешаю-
щую способность (amm~3 мкм), так как эмульсия имеет минимальную толщину
слоя h~4...6 мкм, кроме того, крайне низка их эксплуатационная стойкость (еди-
ницы— десятки совмещений). Хромированные ФШ обеспечивают значительно
большие разрешающую способность и стойкость, однако коэффициент отражения
света пленки хрома высок (/?~0,6) и это не позволяет стабильно получать эле-
менты с размерами менее 1,5 мкм. Если фоторезист толщиной h—0,5 мкм нане-
сен на покрытия с коэффициентом отражения света /?, равным 0,6; 0,2 и 0,05,
то могут быть получены элементы с шириной линии а, составляющей 1; 0,8 и
309
0,6 мкм соответственно. Причем если при Я «0,6 точность воспроизведения гео-
метрических размеров элементов достигает Да « ±0,5 мкм, то при /?»0,05
Да « ±0,2 мкм. Уменьшение коэффициента отражения света металлизированных
ФШ существенно расширяет диапазон допустимой расфокусировки и колебаний
экспозиции при проекционной фотолитографии. Уменьшение коэффициента отра-
жения света маскирующего покрытия — одно из требований, предъявляемых к
фотошаблону как инструменту формирования прецизионных микроизображений.
Размеры подложек обычно составляют 125 X 125...150Х 150 мм, при этом их
толщина обычно не превышает 3 мм. Такое соотношение размеров и толщины
в 6...7 раз превышает традиционно принятое в оптике соотношение размера и
толщины плоскопараллельных пластин, которое равно 1 : 10, что часто приводит
к деформации пластин и отступлению от плоскостности поверхности.
Конструкции ФШ. Простейший ФШ состоит из стеклянного основания I
и рисунка маскирующего покрытия 2 на его поверхности (рис. 8.16). Однослойное
тонкое маскирующее покрытие (рис. 8.16, а) достаточно быстро повреждается
в процессе эксплуатации, кроме того, в исходной пленке всегда имеются раз-
личные дефекты (в том числе проколы маскирующего покрытия), располагаю-
щиеся по полю ФШ по случайному закону. Для устранения дефектов использу-
ют двухслойное покрытие (рис. 8.16,6). На рис. 8.16,6 показано, что дефекты 4
в слоях 2 и 3 не совпадают, в результате получается бездефектное маскирую-
щее покрытие. Слои 2 и 3 выполняют из различных материалов, позволяющих
вести их селективную обработку, а для того, чтобы не требовалось с высокой
точностью совмещать рисунки различных слоев друг с другом, элементы рисун-
ка верхнего слоя 3 делают несколько меньших размеров. Для улучшения каче-
ства изображения верхний слой может быть сделан малоотражающим.
Использование для ФШ двойного маскирования слоями хром — окись желе-
за обеспечивает до 200 циклов контактной печати. Для полупрозрачных ФШ,
рисунок которых используется для совмещения в видимой области спектра, та-
кая многослойная конструкция неприемлема, поэтому для них может быть при-
менена конструкция, представленная на рис. 9.16, в. В этой конструкции второе
покрытие 3 наносится непосредственно в дефекты первого покрытия путем до-
полнительной фотолитографии с использованием экспонирования с обратной сто-
роны подложки (при этом маской является первый слой). .
Фотошаблоны с защитой маскирующего слоя. Двойное
маскирование снижает только начальную дефектность ФШ, в процессе же его
использования при первых контактах в маскирующем покрытии и стеклянной
подложке образуются царапины, выколки и т. п. Для их предотвращения ис-
пользуют конструкции ФШ с защитой маскирующего слоя (рис. 8.17). Защит-
ные маскирующие слои могут представлять собой кварцевую пленку 3 толщи-
Рис. 8.16. Конструкции простого
однослойного фотошаблона (а) и
шаблонов с двойным маскировани-
ем (6 и в)
Рис. 8.17. Фотошаблоны с защитой
маскирующего слоя:
1 — подложка; 2 — маскирующий слой;
3 — защитная кварцевая пленка; 4 — за-
щитная полимерная пленка; 5 — буртик
310
ной около 0,2 мкм, напыляемую на всю поверхность ФШ (рис. 8.17,6), прозрач-
ную мягкую эмульсионную или полимерную пленку 4 толщиной 1,5...3 мкм,
также наносимую на всю поверхность ФШ (рис. 8.17,6), или буртика 5
(рис. 8.17, в) толщиной 1,5...3 мкм, напыляемого по периметру ФШ на его
нерабочую область, не занятую изображением 2, уровень которого расположен
ниже поверхности буртика 5, что предотвращает его соприкосновение с подлож-
кой при экспонировании.
Фотошаблоны с дублированными разнесенными слоями.
Повысить эксплуатационную надежность и уменьшить скорость нарастания де-
фектов позволяют ФШ, представленные на рис. 8.18.
Конструкция (рис. 8.18, а) содержит стеклянное основание /, на двух сто-
ронах которого напротив друг друга расположены идентичные маскирующие ри-
сунки 2. При эксплуатации такого ФШ изнашивается преимущественно одна его
сторона, которая находится в контакте при экспонировании, другая сторона ос-
тается бездефектной и осуществляет дополнительное маскирование (дублирует-
ся первый слой).
В конструкции, представленной на рис. 8.18,6, на толстом (/и~3 мм) стек-
лянном основании 1 располагается первый маскирующий слой 2 с размерами
светлых элементов (окон) в топологическом рисунке, превышающими требуе-
мые размеры в изображении на некоторую величину 26. На первый маскирую-
щий слой приклеивается второй — тонкое стекло 3 (/i2«80...180 мкм), на внеш-
ней стороне которого располагается топологический рисунок 4, соответствующий
формируемому микроизображению. Эта конструкция выгодна для темнопольных
фотошаблонов. Для повышения эффективности маскирующего покрытия возмож-
но значительное уменьшение толщины /i2, например, путем полирования предва-
рительно приклеенного покровного, стекла 5, однако при этом следует учитывать
высоту неровностей на подложках (эпитаксиальные выступы на полупроводни-
ковых подложках составляют десятки микрометров) и прочность стекла. Мини-
мальная толщина стекла 3 Zi2~50 мкм.
На рис. 8.18,в изображена конструкция дублированного ФШ, в котором
функции формирования размеров элементов и функции маскирования экспони-
руемой площади рисунков реализуются в разных слоях 4 и 2 соответственно. На
поверхности стеклянного основания 3 фотошаблона, подверженной дефектам,
располагается только рисунок, соответствующий контуру передаваемого микро-
изображения 4, он плотно прижимается к светочувствительному слою при экс-
понировании. Слой же, осуществляющий маскирование всей площади микроизо-
бражения, отделен от контактируемых поверхностей на толщину h2 стекла 3.
При этом небольшие дефекты, например проколы маскирующего покрытия, на-
ходящиеся в слое 2, не прорабатываются в изображении, так как они лежат на
достаточно большом расстоянии h2 от плоскости изображения. Такая конструк-
ция пригодна для создания полупрозрачных ФШ.
Планарные ФШ. Принципиально другая конструкция ФШ, где маски-
рующий слой отдален на некоторое расстояние от плоскости контактирования,
Рис. 8.18. Фотошаблоны с дуб-
лированными разнесенными
маскирующими слоями
Рис. 8.19. Планарный фотошаблон
ЗП
2
Рис. 8.20. Диффузионные фотошаблоны
Рис. 8.21. Гибкий фото-
шаблон:
/ — подложка; 2 — маскирую-
щий слой; 3 — поверхность кон-
тактирования
ния при контактной печати,
представлена на рис. 8.19. Здесь маскирующий
слой 2, образующий рисунок, заглублен в по-
верхность стекла /. Для точной передачи разме-
ров элементов контурная часть рисунка может
быть выведена из углубления на поверхность
стекла.
Диффузионные ФШ. На рис. 8.20
представлены конструкции диффузионных ФШ.
Маскирующий слой 2 образован диффузией ме-
таллов (например, меди) на поверхностный слой
стекла 1 (рис. 8.20, а). Такие конструкции ФШ
позволяют оптимизировать условия экспонирова-
уменьшать интерференционные эффекты (двоение
изображения).
Конструкция ФШ на рис. 8.20, б представляет собой планарную структуру,
где ионы металла, образующие топологический рисунок, располагаются в тонком
(Л~ 0,3...0,5 мкм) приповерхностном слое. Фотошаблоны, изготовленные с ис-
пользованием электродиффузии меди в стекло, имеют для Х~0,4 мкм показа-
тель преломления света приповерхностного слоя п «2,5. Такие ФШ позволяют
создать рисунки с элементами, имеющими размер единицы микрометра, глубина
диффузионного слоя при этом не превышает 0,3 мкм.
Гибкие ФШ. Для уменьшения дифракционных искажений при контакт-
ной печати, обусловленных кривизной соприкасающихся поверхностей, неплотно-
стью их контакта, наличием расположенных по полю зазоров переменного раз-
мера, могут быть использованы гибкие ФШ (рис. 8.21), имеющие малую толщи-
ну подложки: /г=20...160 мкм. Такие ФШ позволяют реализовать контактную
печать практически без зазоров по всей площади изображения и обеспечить
условия экспонирования, приближающиеся к оптическому контакту, что дает
возможность получать микроизображения с элементами, имеющими размеры
вплоть до 0,4 мкм. Шаблоны такой конструкции обеспечивают создание преци-
зионных изображений на больших полях 2z/«100 мм.
8.4. Технология металлизированных фотошаблонов
Вакуумная металлизация. Метод вакуумной металлизации является ос-
новным для формирования маскирующих покрытий ФШ на основе хрома. Паро-
масляные системы откачки (0,13-10“3 Па) обеспечивают получение качествен-
ных маскирующих покрытий при выполнении условий вакуумной гигиены (влаж-
ность 40%, запыленность 2...3 частицы размером менее 0,5 мкм в 1 л воздуха).
Загрузка и выгрузка заготовок для ФШ производится с помощью дополнитель-
ных пылезащитных боксов, обеспечивающих практическое отсутствие пылинок
указанных размеров. Разгерметизация вакуумной камеры осуществляется путем
напуска атмосферного обеспыленного воздуха. Для защиты стенок вакуумной ка-
меры используется алюминиевая фольга. Следует периодически очищать под-
ложкодержатель и проводить профилактическое обеспыливание поверхности сте-
нок камеры и оснастки.
Маскирующие покрытия ФШ на основе хрома формируются преимуществен-
но методами термического испарения и ионного распыления.
312
Перед металлизацией проводят химическую очистку: подложки промывают
в горячей 10%-ной перекиси водорода с добавлением 25%-ного аммиака, а за-
тем в деионизованной воде, обрабатывают в серной кислоте, передают на кисте-
вую отмывку в деионизованной воде и сушат на центрифуге. Хорошие резуль-
таты дает обработка подложек в 10 %-ной перекиси водорода с добавлением
2...3% муравьиной кислоты в течение 10 мин при 353 К с последующей отмыв-
кой в деионизованной воде. Если обработанные подложки необходимо длитель-
но хранить, их на центрифуге покрывают пленкой лака ХСЛ, которую перед
металлизацией снимают.
Для металлизации при термовакуумном напылении используется чешуйча-
тый электролитический рафинированный в водороде хром высшей очистки. Че-
шуйки хрома измельчаются в алундовой ступке, травятся в соляной кислоте
(2...3 мин), промываются в дистиллированной воде и сушатся при 393...423 К.
Навеска хрома загружается в испаритель или танталловую лодочку.
Навеска хрома подвергается предварительному отжигу при температуре,
близкой к температуре испарения. При этом заслонка закрыта и защищает под-
ложки от запыления в момент отжига. Напыление ведется при вакууме не ху-
же 6,5 тПа при температуре подложек 373 К и скорости напыления 0,5...0,8 нм.
Напыление хрома может проводиться в один или два (иногда даже три)
приема с последующе!, обработкой поверхности пленки протиркой обезжирен-
ным батистом или очисткой в ультразвуковой ванне, при которой дефектные
участки снимаются. При повторном нанесении пленки эти дефекты устраняют-
ся. Образующийся межслойный окисел не позволяет кристаллизоваться конденси-
рующемуся хрому на гранях кристаллов первого слоя. Новые центры кристал-
лизации позволяют получить слой, структурно не связанный с первым, т. е. как
бы закрыть дефекты первого слоя. Разгерметизация и дополнительные термо-
обработки после каждого напыления вызывают окисление поверхности хрома,
поэтому многослойные пленки травятся послойно, причем верхний слой стравли-
вается быстрее. После напыления подложку с хромом отжигают при темпера-
туре около 673 К для увеличения адгезии; при этом следует контролировать
плотность проколов, которая может увеличиваться. В пленке хрома содержатся
хаотически расположенные проколы. Их распределение по размерам хорошо
описывается нормальным законом. Средний размер прокола составляет 0,5...
.. 1 мкм. Плотность проколов зависит от обработки поверхности стекла, режи-
мов напыления и толщины пленки хрома.
Остаточная атмосфера вакуумной камеры и десорбированные газы могут
явиться причиной образования макрочастиц на поверхности хромовой навески
вследствие окисления и карбидизации ее локальных участков. Во время про-
цесса испарения часть этих макрочастиц в результате механического разрушения
навески переносится потоком пара на подложку. Их внедрение в пленку при-
водит к росту числа проколов, ухудшению ее качества. Часть макрочастиц, ос-
тавшаяся на навеске, может экранировать поверхность хрома, тем самым из-
меняя скорость испарения в течение технологического цикла.
С точки зрения исключения рассмотренных явлений приемлемым является
метод резистивного испарения и метод, приближенный к условиям взрывного
испарения.
В оптически плотном испарителе имеется возможность многократного реис-
парения на стенках испарителя. Ликвидация непосредственного теплового кон-
такта навески хрома с поверхностью испарителя с помощью теплоизоляционных
прокладок и применение объемно-плавленой навески хрома позволяют стаби-
лизировать скорость испарения хрома, снизить десорбцию газов, исключить пря-
мое попадание макрочастиц в пленку.
При резистивном испарении, приближенном к условиям взрывного испаре-
ния, поверхностные явления на навеске хрома не являются опасными. Скорость
испарения задается подачей гранул мельчайшего порошка хрома на высокотем-
пературную поверхность испарителя.
При использовании указанных методов испарения достигается среднестати-
стическая плотность дефектов хромированных фотошаблонных заготовок менее
Метод ионного распыления менее критичен к уровню десорбированных га-
зов и поверхностным явлениям на мишени. Но для достижения наилучших тех-
313
Толщина пленки, нм
это указывает увеличение
Рис. 8.22. Зависимость оптической плотности от
толщины пленок хрома, полученных методом ион-
ного распыления (/), термического испарения (2)
и реактивного распыления в газовой смеси аргона
и азота (3)
нологических результатов необходимо использование
мишеней больших площадей.
На рис. 8.22 представлена зависимость оптиче-
ской плотности D от толщины пленок хрома. Плен-
ки, полученные методами резистивного испарения,
ионного и реактивного распыления, различаются со-
держанием реактивных примесей в их объеме. На
удельного электрического сопротивления пленок хро-
ма, которое для пленок, полученных ионным распылением в аргоне, составляет
30 мкОм’См, резистивным испарением — 250 мкОм-см, реактивным распылени-
ем— 400 мкОм-см. При этом коэффициенты отражения света пленок соответст-
венно равны 60, 45 и 35%.
В процессах электронно-лучевого экспонирования при использовании хроми-
рованных заготовок предъявляются повышенные требования к термостойкости си-
стемы стекло — маскирующий слой. Пленки, полученные ионным распылением,
обладают большей величиной внутренних напряжений, что приводит к их ме-
ханическим нарушениям из-за разности ТКР хрома и стекла. В пленках, полу-
ченных термическим испарением, наблюдается аналогичная зависимость, но при
более высоких температурах обработки, что объясняется наличием окисной фа-
зы в пленках и компенсацией внутренних напряжений.
Фотошаблоны с маскирующими покрытиями из соединений хрома (нитрида
и оксинитрида) характеризуются большим разрешением и точностью по сравне-
нию с хромовыми, поскольку эти покрытия имеют более низкий коэффициент
отражения света. Их получение возможно методом реактивного ионно-плазмен-
ного распыления.
Для ФШ используют технологию нанесения покрытия на основе твердого
раствора системы хром — азот с составом, близким к стехиометрическому нит-
риду Cr2N. Это покрытие имеет отражение света в УФ-области не более 35%.
Адгезия позитивных фоторезистов к покрытиям, содержащим азот, выше, чем
к чисто хромовому покрытию. Это повышает точность и снижает уровень дефект-
ности ФШ при контактной фотолитографии.
При двухслойном покрытии нитрид — окись хрома с переходной областью,
представляющей собой оксинитрид переменного состава, коэффициент отраже-
ния света 3...5% позволяет получать ФШ с минимальным размером элементов
(0,8... 1) ±0,1 мкм. Для максирующих пленок ФШ используют также двухслойное
покрытие хром — окись хрома.
Травление пленок хрома. Пленки хрома травят в растворе серной, соля-
ной или фосфорной кислоты.
Пленки хрома, получаемые термовакуумным распылением, химически пас-
сивны из-за тонкого слоя окисла, покрывающего их поверхность. Чтобы нача-
а)
4 /г 5 J
б)
Рис. 8.23. Травление пленок хрома в результате мгновенного контакта со
стержнем из Zn или А1 (а), электрода с внешним шунтом (б) и с использо-
ванием внешнего источника напряжения (в):
1 ₽-стеклянная пластина, покрытая Сг; 2—раствор НС1 в ванне; 3 — стержень из Zn
или А1; 4 — электрод из инертного металла Pt; 5 — батарея напряжением 9 В
314
лась реакция травления, пленка окиси хрома должна быть разрушена, для чего
достаточно приложить к ней при травлении небольшое напряжение. Аналогич-
ный эффект можно получить при прикосновении к пленке электроположительного
металла. При этом образуется гальваническая пара, окисел разрушается и на-
чинается процесс травления (рис. 8.23).
Для травления пленки хрома подложки погружают в травитель, прикаса-
ются к пленке хрома на несколько секунд металлическим стержнем из алюми-
ния, цинка, олова, магния или их сплавов (можно также погружать в травитель
стружки этих металлов). Обычно при травлении используют (12...16) %-ную со-
ляную кислоту и алюминиевый или цинковый стержень либо следующий тра-
витель:
Хлористый алюминий................. 454 г
Хлористый цинк....................135 г
Ортофосфорная кислота . . * 30 мл
Вода................................. 400 мл
Можно также для травления использовать состав из 1 части раствора 50 г
едкого натра в 100 мл деионизованной воды и 3 частей раствора 100 г фер-
роцианида калия (красной кровяной соли) в 300 мл воды.
Равномерность травления и точность воспроизведения размеров рисунка
улучшаются, если в соляную кислоту добавить небольшие количества (несколь-
ко процентов) поверхностного активного вещества СВ-102 (натриевая соль ди-
этилгексилового эфира сульфоянтарной кислоты), СВ-104 (смеси натриевых солей
монодитрибутилнафталина-1-сульфокислоты) или СВ-105 (продукт обработки
алкилфенола окисью этилена).
Преимуществом растворов НС1 является то, что травление начинается не
сразу после погружения, а только после того, как оно будет вызвано электри-
ческим или электрохимическим способом. Время травления удобнее регулировать
внешним потенциалом, прикладываемым к хромовой пленке через контакт на
держателе образцов, изготовленных из инертного металла. При травлении в рас-
творах НС1 трудно возобновить травление пластины, которая была слишком
рано вынута из травителя. Травление хромовых пленок возможно с предва-
рительной обработкой в 3%-ном водном растворе боргидрида калия (КВН4)
в течение 30 с, активирующей поверхность хрома. После обработки в активаторе
пленки травят в 25 %-ной соляной кислоте, не применяя металлический стер-
жень.
Для травления хрома используют насыщенный и концентрированный рас-
твор А1С13. Травление осуществляется в диапазоне температур 293...253 К с до-
бавками металлического алюминия или цинка, а также без них. На рис. 8.24
приведены зависимости скорости растворения хрома в насыщенном (кривая /)'
и концентрированном (кривая 2) растворах хлористого алюминия от темпера-
туры травителя. Кривые 3 и 4 показывают скорости растворения хрома соот-
ветственно в насыщенном и концентрирован-
ном растворах А1С13 (с добавками А1) в за-
висимости от температуры травителя. Приме-
нение индуктора увеличивает скорость травле-
ния хрома в растворах А1С13 в два раза.
Индуктор, так же как и катализатор, инду-
цирует реакцию, однако в отличие от послед-
него он расходуется в процессе реакции. Ско-
рость травления хрома на шаблонах можно
увеличить перемешиванием травильного рас-
твора.
Типичным щелочным травителем хрома
является смесь 1 части раствора 500 г NaON
в 1 л дистиллированной воды и 3 частей рас-
Рис. 8.24. Зависимости скорости растворения
хрома в растворах хлористого алюминия от
температуры
315
твора 333 г КзРе(СМ)6 в 1 л дистиллированной воды. Скорость травления
100 нм 1...4 мин. Раствор теряет свои свойства во времени (например, скорость
травления снижается на 30% за 4 дня).
После операции травления осуществляется обзорный контроль ФШ под мик-
роскопом и выборочный контроль размеров. При необходимости возможно не-
которое дотравливание окон в травителе на основе церия следующего соста-
ва, мл:
Церий серно-кислый марки И 200
Соляная кислота ...... 100
Серная кислота ...... 10
Вода дистиллированная .... До 1000
Для маскирующих слоев ФШ используют молибден и кремний, получае-
мые методом термического напыления. Молибден более пластичен и имеет коэф-
фициент отражения при толщине пленки 70...90 нм на 10% меньше, чем хром,
что обеспечивает более высокую разрешающую способность. Маскирующие слои
молибдена на стекле можно получить методом ионно-плазменного напыления.
Для получения высокого фотолитографического разрешения по слою сле-
дует обеспечить равномерность его травления по всей площади ФШ. При сравне-
нии травления хрома и молибдена необходимо отметить, что молибден тра-
вится на стекле более равномерно, так как хром химически взаимодействует
с калиевыми и натриевыми компонентами К-8, образуя промежуточные окислы.
Молибден гораздо труднее взаимодействует со стеклом, поэтому легче травится.
Оптимальный состав травителя для молибдена:
K3[Fe(CN)6] .................... 200 г
NaOH..............................20 г
C2O2Na2 ......... 3...3.5 г
Н2О...............................До 1 л
Скорость травления составляет 1 нм/с при неровности края по полю не
более 0,1 мкм. Тонкие пленки молибдена имеют аморфную структуру, что позво-
ляет с хорошей воспроизводимостью получать размеры элементов топологии
2 мкм и менее.
Химическое осаждение из растворов для получения маскирующих слоев
фотошаблонов. Для создания маскирующих слоев ФШ используют химическое
осаждение никеля, а также халькогенидов металлов, в том числе сульфида
кадмия.
Механизм химического нанесения покрытий основан на восстановлении
ионов находящегося в растворе металла электронами, источниками которых
служит восстановитель.
Процессы осаждения проводят в термостатированных стеклянных ваннах,
точность поддержания температуры рабочих растворов ± 1 К. Электролиты для
осаждения приготовляют на дистиллированной воде из реактивов квалификации
«чистые для анализа» (ЧДА).
Прочность сцепления и бездефектность пленок, осаждаемых химическим
методом, определяются процессами предварительной подготовки, включающими
отмывку, сенсибилизацию и активацию поверхности заготовки.
Отмывку стекла марки К-8 проводят обезжириванием в органических рас-
творителях. Для удаления механических загрязнений применяются щелочи, со-
да, перекись водорода, их смеси или горячая вода. Химические остатки удаляют
в растворах сильных окислителей, например бихромата калия в концентриро-
ванной серной кислоте, с последующей тщательной отмывкой в воде.
Процесс сенсибилизации поверхности стеклянной заготовки предшествует
процессу активации. Последний служит для придания поверхности каталитиче-
ских свойств, а процесс сенсибилизации — для создания центров кристаллизации
каталитических металлов.
При проведении процесса сенсибилизации сплошность химического покрытия
существенно увеличивается. Сенсибилизация стеклянных поверхностей перед хи-
мическим осаждением проводится в растворах хлористых солей олова, а ак-
тивация — в растворах хлористого палладия. Суммарный процесс, реализую-
316
щийся на поверхности стекла при сенсибилизации и активации, может быть
представлен реакцией Sn2+-hPd2+->Pd-hSn4+ (на поверхности стекла). Палла-
дий, восстановившийся на поверхности стекла, служит катализатором практиче-
ски для всех химических процессов осаждения.
Возможно изменение свойств поверхности подложки положительно заря-
женными ионами металлов и неметаллов, а также обработка подложки спе-
циальным сополимером, обладающим иоцно-обменными свойствами. При этом
механически и химически очищенную и тщательно омытую пластину подвергают
воздействию положительно заряженных ионов. Например, в установке типа «Ве-
зувий» используют бомбардирующие ионы металла, который должен осаждать-
ся химически, например перед химическим никелированием поверхность бомбар-
дировали ионами никеля. Используются также «разрушающие» ионы, например
ионы бора для подложки из боросиликатного стекла. В первом случае внедрен-
ные в поверхность ионы никеля служат псевдоцентрами кристаллизации, свое-
образными катализаторами процесса химического никелирования. Бомбардиров-
ку стеклянной подложки ионами никеля осуществляют в течение 20...30 мин
с энергией 15...20 кэВ. Ионы бора, внедряемые в поверхность, создают микро-
участки травления, на которых облегчается процесс химического осаждения
никеля из раствора. Бомбардировку стекла ионами бора осуществляют в тече-
ние 30...80 мин при таких же энергиях (15...20 кэВ).
Способ подготовки поверхности стекла перед химическим осаждением пу-
тем нанесения сополимера также должен улучшить характеристики осаждаемой
пленки, если анионные группы сополимера обладают способностью взаимодей-
ствовать с ионами металла в растворе, т. е. обладают ионно-обменными свой-
ствами. В качестве такого сополимера возможно использование раствора, со-
держащего равные количества акрилнитрила и четвертичной соли метилвинил-
пиридина (1,2 диметил; 5 винил-пиридиний-метилсульфат). Раствор тонким сло-
ем наносят на отмытую поверхность стекла, проводят сушку в термостате в те-
чение 10...20 мин при температуре 373 К. Для придания полимерной пленки
свойства нерастворимости в воде осуществляют ее обработку в 30%-ном рас-
творе едкого натра с последующей сушкой в течение 15...20 мин при темпе-
ратуре 423...473 К. Стекло с нанесенной полимерной пленкой погружают в
раствор для химического никелирования, содержащий катионы никеля.
Осаждаемая металлическая пленка никеля имеет большую адгезию к поли-
мерной пленке, чем к полированному стеклу, за счет сильно выраженной спо-
собности сополимера сорбировать ионы металла из раствора, создавая тем
самым устойчивые центры кристаллизации на поверхности.
Мелкокристаллическую структуру осадка и высокую адгезию обеспечивает
осаждение никеля из кислого раствора состава, г/л:
Серно-кислый никель , 10...20
Уксусно-кислый натрий .... 5... 10
Гипофосфит натрия....................5... 10
Процесс производится при температуре 348...353 К и pH = 4,5...5. Толщина
осажденного слоя никеля составляет 0,05...0,1 мкм и определяется временем
выдержки в растворе.
Для травления халькогенидных и никелевых пленок пригодны травители,
состоящие из смеси НС1 (концентрированная) и Н2О в соотношении: 1:3 —
для сульфида кадмия; 1:1 — для сульфида меди; 3:1 — для сульфида свинца.
Отражательная способность маскирующего слоя характеризует эффект мно-
гократного отражения света между шаблоном и поверхностью, на которую
переносится изображение. Для снижения отрицательного влияния этого эффекта
проводится минимизация коэффициента отражения света маскирующего слоя
в используемом при фотолитографических операциях диапазоне спектрального
излучения. Коррекция коэффициента отражения света ФШЗ осуществляется
нанесением на основной маскирующий слой хрома антиотражающей пленки
окиси хрома. Два способа такой коррекции иллюстрируются на рис. 8.25. Пер-
вый из них — сдвиг спектральной характеристики за счет изменения плотности
пленки окиси хрома, второй — использование в качестве антиотражающей
пленки СгхОу (при х<2, у<.3), у которой значение коэффициента отражения
317
Рис. 8.25. Коррекция коэффициента отра-
жения маскирующих слоев ФШЗ при ис-
пользовании антиотражающих пленок Сг2О3
с различной плотностью и СгхОу(х<2;
У<3)
света снижается до 5%, что практически
исключает влияние многократного отраже-
ния света при переносе микроизображения.
Тонкую пленку СгхОу можно нанести не
только на поверхность маскирующего слоя
хрома, но и на границу стекло — маскиру-
ющий слой хрома. В этом случае пленка
Рис. 8.26. Эффект многократного отражения в
хромированных фотошаблонах с нанесением
резистом (А) и антирефлекторным покрыти-
ем (б):
1 — луч света Х=365 нм; 2 — маска; 3 — хром; 4 — ин-
терференционная пленка; 5 — слой резиста; 6 — дву-
окись кремния; 7 — кремний
Рис. 8.27. Зависимость отражения хромовой пленки толщиной 120 нм от дли-
ны волны:
1 — обычно осажденная пленка; 2 — пленка после отжига на воздухе в течение 2 ч
при 698 К
СгхОу будет уменьшать значение коэффициента отражения света обратной
стороны ФШЗ.
Уменьшение толщины маскирующей пленки хрома на ФШЗ позволяет уве-
личить точность получения изображения при ее травлении, поскольку вследствие
изотропности химического травления пленок на основе хрома погрешность гео-
метрических размеров элементов практически равна толщине этих пленок. При
толщине пленки порядка 0,1 мкм можно формировать изображения с мини-
мальным размером элемента 1 мкм с точностью ±10%. При этом оптическая
плотность ФШЗ составит 3 отн. ед.
Защитные противоореольные покрытия. Для снижения отражения света в
хромированных ФШ применяют более мягкое или рассеянное освещение.
Противоореольные покрытия на внешней стороне хрома увеличивают раз-
решающую способность некоторых фоторезистивных материалов. Большая часть
ультрафиолетового излучения с длиной волны максимальной спектральной ха-
рактеристики проходит через фоторезист (ФР) и отражается на поверхности
подложки. На обратном пути значительная часть энергии идет под углом, до-
статочным для отражения от внешней стороны ФШ снова в резистивную плен-
ку (рис. 8.26). Процесс многократного отражения продолжается до полного
поглощения энергии, что приводит к уменьшению резкости изображения. Это
следует учитывать в фоторезистивных пленках для обеспечения высокой раз-
решающей способности. Противоореольное покрытие на основе многократной
318
интерференции может быть получено путем отжига хромовых пленок в атмосфере
воздуха при температуре 698 К в течение 2 ч (рис. 8.27).
При контактной печати в процессе фотолитографии ФШ изнашивается.
Количество дефектов резко увеличивается с увеличением числа контактных про-
печаток.
Для увеличения эксплуатационной стойкости ФШ предложено покрывать их
поверхность защитной пленкой. Защитное покрытие должно обладать комплек-
сом подходящих механических, физико-химических и оптических свойств: малой
дефектностью, достаточной механической прочностью, стойкостью к химическому
и механическому воздействию при отмывке, высокой адгезией к материалу мас-
кирующей пленки и низкой — к использующимся в технологии фоторезистам,
низким коэффициентом отражения от рабочей поверхности ФШ.
Увеличение износостойкости ФШ возможно путем защиты их поверхности
износостойкой пленкой, например из нитрида кремния толщиной 100... 1500 нм,
улучшающей износоустойчивость в 2...3 раза.
Для защиты поверхности ФШ используют пленки из окиси и нитрида
кремния, синтетических смол и полимерных покрытий, фосфоро- и боросили-
катных стекол.
Для получения защитных покрытий на эмульсионных и металлизированных
ФШ используют пленки окиси кремния, полученные из растворов гидролизую-
щихся соединений. Покрытия наносят на поверхность ФШ центрифугированием
пленкообразующих растворов кремнийорганических соединений с последующей
термообработкой. Установлено, что плоскостность пластин фотостекла тол-
щиной 2...3 мм не изменяется при нагревании до 573 К в пределах ±0,5 мкм.
Для эмульсионных ФШ размеры элементов остаются постоянными в пределах
ошибки измерения (±0,2 мкм) до температуры 473 К, для хромовых — до 573 К.
После отжига поверхность ФШ с защитным слоем модифицируют в растворах
или парах кремнийорганических соединений.
При обработке ФШ в парах или органических растворах алкилалкоксиси-
ланов, алкилгаллоидосиланов, сиоксанов и т. п. активные группы этих соедине-
ний реагируют с остаточными гидроксильными группами и адсорбированными
молекулами воды на поверхности ФШ. Неполярные алкильные радикалы
ориентируются при этом в сторону окружающей среды, что придает поверх-
ности гидрофобные свойства и резко снижает адгезию полимеров с полярными
группами.
В табл. 8.5 приводятся данные по изменению краевого угла смачивания
поверхности ФШ водой и позитивным фоторезистом ФП-617 после обработки
различными антиадгезивами. Аналогичного эффекта 'можно достичь, введя
различные добавки в растворы при нанесении защитных покрытий. Из таблицы
видно, что добавки алкооксисоединений типа Si(OC2H5)3 также уменьшают ад-
гезию фоторезиста к защитному покрытию, однако в меньшей степени, чем мо-
дификация поверхности уже готового покрытия. Наиболее эффективной явля-
ется обработка в парах диметилдихлорсилана.
Алкилирование поверхности одновременно снижает электрическую состав-
ляющую адгезии частиц пыли, имеющих положительный заряд, так как при
этом усиливаются акцепторные свойства поверхности. Фотошаблоны с защитным
слоем и модифицированной поверхностью легче мыть и сушить, к ним меньше
прилипает пыль. Установлено, что допустимое число контактов для ФШ с за-
щитным слоем в 2...3 раза больше, чем для незащищенных.
Износоустойчивость хромовых ФШ также возрастает примерно вдвое. Кро-
ме того, защитные пленки, нанесенные из растворов на хромовые ФШ, являются
еще и просветляющими. Коэффициент отражения света от термически напылен-
ного хрома снижается более чем в три раза при нанесении пленки SiO2 тол-
щиной 50...60 нм (%==400 нм).
В качестве защитных покрытий для шаблонов, например хромовых, с целью
увеличения их износостойкости и долговечности используют пленки фоторези-
стов, облученных ионным потоком. Если пленки приобретают и необходимый
комплекс оптических свойств, то они применяются непосредственно для изго-
товления ФШ с высоким разрешением.
При эксплуатации ФШ подвергаются абразивному износу: появляются ца-
рапины и всевозможные нарушения сплошности, что делает ФШ непригодными
319
Таблица 8.5. Значение краевых углов смачивания при различных видах
обработки поверхности фотошаблонов
Обработка Поверхностные группы ®H2O’ град 0фП’ град
Нанесение защитного слоя из растворов тетраэтоксисилана: отжиг при Т=473 К ( s=Si-OH 35 0
отжиг при Т=573 К II III СО со 7 Г о о I I 40 0
с добавками: CH2=C-Si(OC2H5)3 ( ==Si—ОН 70 3...4
Ci4H29Si(OC2H5)3 t ^Si—CH —СН2 f ==Si-OH 70... 15...20
моносилилкарборана (защит- I =Si — Ci4H3g J ==Si—OH 90 1...2
ный слой боросиликатного стек- ла) Обработка после нанесения за- щитного слоя в растворах: (CH3)2SiCl2 в бензоле, 5 об. долей, % I rf-OH S1\ch3 70 30
(CH3)9SiCl2 в бензоле, 10 об. 90 40
долей, % (CH3)3SiCl в бензоле, 5 об. долей, % /CH3 —Si—CH3 70 20
(C2H5)3SiCl в бензоле, 5 об. ^СНз /С2Н5 65 25
долей, % (C2Hs)3SiCl в ft-бутиловом спирте, 5 об. долей, % СцНэдЗЦОСгНбЬ бензоле, —Si—C2Hg XC2H5 Si—C14II39 50 55 5 10
0,1 масс, долей, % в парах (CH3)2SiCI2 /CH3 100 50
Sl \СНз
для дальнейшего использования. В качестве абразива чаще всего выступают
мелкие частицы кремния, обладающего высокой твердостью (микротвердость
кремния Я=1,2-1010 Н/м2). Износостойкость твердых тел при абразивном из-
носе определяется прежде всего их твердостью, причем зависимость эта — ли-
нейная. Поэтому износостойкость материалов может быть оценена по их твер-
дости.
Однако, если эти пленки нанесены на твердые подложки, их износостой-
кость зависит не только от твердости, но и от адгезии пленок к подложкам.
Для комплексной оценки износостойкости пленок используют метод царапания
пленки с твердым индентером, гладко заточенным на сферу с малым радиусом
кривизны, например корундовым индентером с радиусом кривизны рабочего
наконечника 30 мкм и микротвердостью //=2,0-1010 Н/м2. За комплексную
характеристику прочностных свойств пленок принимают критическую вертикаль-
ную нагрузку на индентер, при которой в перемещаемой под ним пленке воз-
никает царапина.
820
Рис. 8.28. Спектральная зависимость оптического пропускания обработанных
ионами В+ (а) и Р+ (б) пленок фоторезистов различной толщины:
/ — 0,2 мкм; 2 — 0,4 мкм; 3 — 0,6 мкм; 4 — 0,8 мкм
I %
40 -
20 -
0 -
40 -
20 -
0 -
40 г
20-
0-
7 2 3 4
400 450 500 550 600 650 700 750 J, нм
Для повышения прочности пленок фоторезиста производят обработку
ионами Р+ и В+. После облучения твердость пленок увеличивается. Наибольше-
му упрочнению подвергаются наиболее тонкие пленки. Эффект упрочнения сни-
жается примерно пропорционально толщине пленок. Для пленок, толщина ко-
торых превышает 0,6 мкм, упрочнение перестает зависеть от толщины и ока-
зывается относительно невысоким.
Пленки фоторезистов (PH-7, РН-617, ФП-383) толщиной 0,4 мкм, обрабо-
танные ионами Р+, приобретают относительную твердость, значительно пре-
вышающую твердость не только пленок хрома, но и пленок окиси железа. Ме-
нее четкая картина зависимости упрочнения пленок от толщины получена на
пленках фоторезистов, обработанных ионами В+ при тех же энергии и дозе
облучения. Высокая износостойкость пленок фоторезистов, облученных иона-
ми Р+, позволяет рекомендовать их для защиты ФШ. Возможно изготовление
ФШ непосредственно на основе таких пленок, тем более, что при малых тол-
щинах, которые они имеют, может существенно увеличиться их разрешающая
способность.
На рис. 8.28 приведены типичные спектральные кривые пропускания пле-
нок фоторезистов диапазоне длин волн 350...750 нм после облучения их
ионами В+ и Р+ с £=120 кэВ и £>=1000 мкКл. Толщина пленок 0,2...1,1 мкм.
Пленки толщиной 0,4 мкм после обработки ионами В+ и Р+ оказываются прак-
тически непрозрачными в ультрафиолетовой части спектра. Поэтому они могут
быть использованы в качестве самостоятельного материала для изготовления
ФШ. Процесс изготовления ФШ включает фотолитографию и ионно-лучевую
обработку.
Дозы ионов, достаточные для упрочнения пленок ФР, практически не
влияют на оптические свойства стеклянных подложек, что обеспечивает кон-
трастность изображения.
Получение бездефектной пленки ФР малой толщины приводит к ужесточе-
нию требований к условиям его нанесения, необходимости выбора подходящего
растворителя и подготовки поверхности стеклянной подложки.
На рис. 8.29 приведены кривые зависимости прозрачности (коэффициента
оптического пропускания Т — 1Щ, %) пленок ФР, облученных ионами В+ и Р+,
от толщины для двух длин волн (600 и 400 нм) и двух доз облучения (1000
и 2000 мкКл). Из данных рис. 8.29 можно определить коэффициент поглоще-
21 Заказ № 1270 qoi
О 0,2 0,^ 0,0 0,8 О,мкм
Рис. 8.29. Зависимость коэффициента оптического пропускания пленок фото-
резистов, обработанных ионами В+ (а) и Р+ (б), от толщины на фиксиро-
ванных длинах волн (кривые /, 2 — 600 мм; кривые 3, 4 — 400 нм) при раз-
личных дозах облучения (кривые /, 3—1000 мкм; кривые 2, 4 — 2000 мкКл)
и энергии пучка ионов В+ и Р+ 120 кэВ
ния света а исследованных фоторезистов. Для длины волны Xi = 600 нм он
оказался равным ai»105 см*"1, для Х2=400 нм «2~ (2...3) • 105 см-1.
Возможны два пути изготовления ФШ. Первый состоит в том, что в тра-
диционном способе изготовления ФШ заключительный этап — удаление фоторе-
зиста — заменяется его ионно-лучевой обработкой. Второй путь — удаление
старого ФР, нанесение нового слоя, проведение ФЛ в соответствии с топологией
рисунка на ФШ и затем ионно-лучевая обработка.
8.5. Технология цветных фотошаблонов
Для уменьшения эффектов отражения света применяют цветные ФШ, в ко-
торых используются пленочные покрытия диэлектриками или полупроводника-
ми. Лучшую спектральную характеристику имеют цветные ФШ на основе окиси
железа (рис. 8.30). Окись железа непроницаема для излучения тех длин волн,
к которым чувствительны обычные фоторезисты. В отличие от пленок хрома
и фотоэмульсии она прозрачна на более длинных волнах, что облегчает процесс
совмещения и препятствует экспонированию фоторезиста.
Для воспроизведения геометрических размеров элементов на ФШ и обес-
печения однородного травления пленки окиси железа оптическая плотность
должна составлять 2,15 ±0,15. На длине волны 420 нм ей соответствует толщина
пленки 220 ±20 нм.
Отражающая способность пленок окиси железа гораздо меньше, чем хрома
(рис. 8.31), что повышает разрешающую способность фотолитографического
процесса и увеличивает резкость края изображения в фоторезисте на пластине.
322
ЮО
Рис. 8.31. Отражательная способ-
ность различных материалов, при-
меняемых в качестве маскирующих
слоев фотошаблонов
Рис. 8.30. Спектры поглощения пле-
нок различных окислов:
/-—окись железа (180 нм); 2 — окись ва-
надия (80 нм); 3 — окись никеля (470 нм);
4 — смесь окислов железа и ванадия, по-
лученная распылением мишени из 25%
железа + 75% ванадия (386 нм); 5 — смесь
окислов железа и ванадия, полученная
распылением мишени из 10% железа +
+90% ванадия (315 нм); 6 — смесь окис-
лов железа и никеля, полученная распы-
лением мишени из 65% железа+ 35% ни-
келя (370 нм)
Полупрозрачные цветные ФШ на основе окиси железа обеспечивают простоту
совмещения, имеют низкие уровни дефектов и значительно большее сопро-
тивление истиранию, чем хромовые ФШ (табл. 8.6).
Основные этапы изготовления цветных ФШ на основе окиси железа при-
ведены на рис. 8.32.
Рис. 8.32, Схема процесса изготовления цветных фотошаблонов на основе
окиси железа
21*
323
Таблица 8.6. Сравнительная характеристика цветных и хромовых
фотошаблонов
Параметр Хромовые ФШ Цветные ФШ на основе
Fe2O3 S1O2 халькогени- дов
Толщина маскирующего слоя, мкм о,2 0,15 0,4 0,4
ААинимальная ширина линии, мкм 2 1 1 1
Количество проколов на 1 см2 0,4 4 4 0,4
Износоустойчивость (число хо- дов резца) 100 800 400 60
Отражение на длине волны 440 нм, % 80 15 20 15
Фотошаблоны на основе пленок окиси железа. Для осаждения тонких пле-
нок окиси железа используют химическое разложение пентакарбонила железа
в паровой фазе, разложение металлоорганических соединений и реактивное ка-
тодное распыление.
Пленки окиси железа получают разложением пентакарбонила железа на
нагретой до 473 К поверхности стекла путем термического разложения пеита-
карбонила железа в атмосфере аргона, углекислого газа, кислорода и кисло-
рода с парами воды при различных скоростях потока газа. В атмосфере аргона
и углекислого газа скорость осаждения мала; в атмосфере кислорода она зна-
чительно выше и пропорциональна количеству поступающего в камеру пентакар-
бонила железа. Наличие паров воды в атмосфере кислорода снижает скорость
осаждения пленки.
Пленки, полученные при температуре подложки 433 К, травятся в водном
растворе соляной кислоты при температуре 298...323 К, в то время как осаж-
денные пленки при более высоких температурах практически не травятся. Полу-
ченные пленки интенсивно поглощают излучение в области спектра, к которой
чувствителен ФР, и умеренно пропускают в видимой части спектра. Оптималь-
ная толщина пленок составляет 180 нм, обеспечивая оптическую плотность 2 на
длине волны 400 нм и 0,3 на 600 нм.
Разложением металлоорганических соединений в окислительной атмосфере
получают пленки окислов ряда металлов (железа, кадмия, никеля, хрома, мар-
ганца, ванадия, кобальта, молибдена, титана, вольфрама). Пленки окиси же-
леза толщиной 100...200 нм не пропускают 5% света на длине волны 400 нм
и 1% на длине волны ниже 380 нм.
Для травления пленок окиси железа применяют фосфорную кислоту при
температуре выше 373 К.
Для получения пленок окиси железа методом распыления используют метод
реактивного катодного ВЧ-распыления. Скорость нанесения пленок окиси железа
изменяется в широких пределах (0,05...0,66 нм/с) в зависимости от состава ре-
акционного газа (аргон, кислород, моно- и двуокись углерода), типа распы-
ляемой мишени, а также величины и вида прикладываемой мощности. Макси-
мальные скорости нанесения получены при распылении мишени из железа и
небольших соотношениях СО/СОз-
Высокочастотное распыление мишени из окиси железа, ВЧ-распыление и
распыление на постоянном токе в смеси СО + СОг мишени из железа обеспечи-
вает создание пленок окиси железа с достаточно высокой скоростью растворе-
ния в 6-молярной соляной кислоте и спектром пропускания, пригодным для
применения их в производстве цветных ФШ (табл. 8.7).
Пленки окиси железа травят в кислотно-восстановительных средах. Хорошие
результаты дает травитель, состоящий из насыщенного раствора йодистого
калия в 250 мл воды и 50 г хлорного железа в 750 мл воды, которые перед
употреблением смешивают.
324
Таблица 8.7. Характеристика пленок окиси железа, полученных
различными методами
Метод получения Площадь сканирования, см2 Плотность дефектов, см-2 Диаметр дефекта, мкм
Химическое осаждение из паро- вой фазы 3,0 200 1
Высокочастотное распыление в смеси 80% СО 4-20 % СО2 0,6 60 0,5
Высокочастотное распыление в смеси 80 % СО 4-20 % СО2 с предва- 0,6 33 0,5
рительной очисткой поверхности стекла травлением (снятие слоя стекла толщиной 60 нм)
При ионном травлении получают также хорошие результаты. Скорость
травления при энергии ионов аргона 2...3 кэВ составляет 0,025...0,03 мкм/мин.
При ионном травлении следует применять фоторезист ФП-617, так как ФР
других марок не выдерживают воздействия ионного пучка.
Для изготовления прецизионных ФШ с железоокисным маскирующим сло-
ем, получаемым методом ионного распыления железа в кислородосодержащей
атмосфере или путем окислительного пиролиза пентакарбонила железа, разра-
ботан травитель состава (в расчете на 1000 мл раствора):
Кислота соляная.............. 750 мл
Вода дистиллированная .... 250 мл
Железо двухлористое (FeCl2-4H2O) ПО г
Олово двухлористое (SnCl2-2H2O)
(ЧДА).........................22 г
Полученный раствор фильтруется через кислотостойкий фильтр с разме-
ром пор менее 0,5 мкм. Хранить травитель рекомендуется в плотно закрытом
сосуде из темного стекла, оставляя по возможности меньший объем воздуха над
его поверхностью. Благодаря прозрачности и бесцветности концентрированного
раствора травитель удобен для визуального контроля процесса травления. Им
можно обработать более 1000 пластин в 1000 мл раствора, срок хранения
неиспользованного раствора до 2 недель.
По изменению окраски травителя, связанному с накоплением в нем FeCl3,
можно судить о его работоспособности. Желтый цвет свидетельствует о начале
окисления (истощения) активатора, однако скорость травления в таком раство-
ре изменяется несущественно. При значительном истощении (старении) трави-
теля он приобретает интенсивную оранжевую окраску. Такой раствор можно
регенерировать путем добавления в него небольшого количества двухлористого
олова. Феррохлоридный травитель обеспечивает равномерную скорость травле-
ния железоокисных слоев (4...6 нм/с), позволяющую за 45...60 с полностью
стравить пленки толщиной около 200 нм, обеспечивая разрешение 1...1.5 мкм
при неровности края элементов не хуже 0,2 мкм.
Пленки окиси железа обладают таким весьма полезным свойством, как
возможность создания на обычно растворимой пленке локально нерастворимых
участков при их обработке электронным или лазерным лучом. Таким образом,
на пленку окиси железа можно нанести рисунок, не прибегая к обычной фото-
литографии, причем с помощью электронного луча обеспечивается большее
разрешение рисунка.
Фотошаблоны на основе пленок кремния. Высокую однородность для цвет-
ных ФШ обеспечивают пленки кремния толщиной 75...80 нм. Пленки кремния
получают вакуумным напылением, реактивным распылением, осаждением из
325
Рис. 8.33. Схема процесса изготовления фотошаблона по традиционной техно-
логии (а) и по методу фирмы «Ниппон дэнки» (б)
паровой фазы. Пленки кремния обеспечивают получение элементов размерами
до 1 мкм. При изготовлении’ цветных ФШ фоторезист на пленки кремния, как
и на пленки окиси железа, следует наносить сразу же после осаждения плеиок.
Если такая пленка находится долго на воздухе, рекомендуется обрабатывать
ФШ перед нанесением ФР в спиртосодержащих составах или сразу защищать
специальным покрытием, удаляемым перед фотолитографией. Плохая адгезия
кремниевых пленок имеет и положительную сторону: при эксплуатации к таким
ФШ не прилипает фоторезист, они меньше загрязняются и не требуют столь
частой отмывки, как хромированные (после 10...20 контактов). Фотошаблоны на
пленках окиси железа и кремния обладают высокой износоустойчивостью:
в 4...5 раз больше, чем хромированные, т. е. позволяют осуществлять до 500 кон-
тактов.
Фотошаблоны на основе пленок фоторезиста. Для изготовления ФШ ис-
пользуют технологию, основанную на ионном легировании фоторезиста
(рис. 8.33). Если фоторезист легировать, например, простыми ионами 31Р+, 40Аг+,
ПВ+ или ионами сложных молекул 49BF2+, то по мере увеличения дозы леги-
рования пленка без возникновения дефектов будет постепенно менять твердость
за счет науглероживания и чернеть, причем этот эффект тем заметнее, чем вы-
Рис. 8.34. Спектральные
характеристики пленки
фоторезиста толщиной
430 нм до ионного ле-
гирования (1) и после
легирования ионами фос-
фора с энергией 120 кэВ
и дозой 1-1015 (2),
З Ю15 (<3) и l lOi6CM-2
W
326
ше масса ионов при тех же ускоряющих напряжениях и дозе легирования.
Черненные участки топологии станут непрозрачной частью шаблона, которая
не пропускает УФ-лучи (рис. 8.34). Стеклянная подложка в процессе ионного
легирования не меняет своих характеристик, оставаясь прозрачной как для УФ,
так и для видимых лучей, и становится светлой частью шаблона.
Фотошаблоны на основе халькогенидов. Для увеличения износоустойчивости
и уменьшения дефектности ФШ в качестве защитных покрытий используют халь-
когенидные маскирующие слои. В табл. 8.8 представлены сравнительные харак-
теристики износоустойчивости и дефектности халькогенидных маскирующих ма-
териалов, применяемых для изготовления ФШ, до и после нанесения защитного
слоя, а также изменение размеров элементов рисунка ФШ с сульфидомолибде-
новым покрытием. Износоустойчивость оценивается на установке по количеству
двойных ходов ползуна с абразивом (сукно) и визуальному наблюдению
сплошности покрытия; дефектность определятся подсчетом числа проколов на
единицу поверхности покрытия под микроскопом типа МБС-9 (Х32). Особен-
ностью защитного покрытия из сульфида молибдена, получаемого химическим
осаждением из водного раствора, является его свойство осаждаться только на
поверхность маскирующего материала, например сульфида свинца, образующего
рисунок ФШ, и не покрывать пробельные места — основу ФШ (стекло, кварц,
сапфир) (рис. 8.35).
Таблица 8.8. Свойства халькогенидных маскирующих покрытий
фотошаблонов
Материал маскирующего покрытия
Параметр Сульфид меди Сульфид свинца Сульфид кадмия Кадмий- свинец- сера Сульфид молибде- на
Без защитного покрытия: износоустойчивость, отн. ед. дефектность, см~1 2 С защитным покрытием: износоустойчивость, отн. ед. дефектность, см-2 изменение размеров элементов рисунка, % 0,12 1,8 2 2,4 6,2* 3...5 150 5...6 2...3 0,7...0,8 0,13 2,4 2,1 4 — 2...4 120 4...5 1...2 — 2,5 0,5 18,4 3,9 —
* Пленка сульфида молибдена нанесена на поверхность стекла, активированного в рас-
творах SnCl2 и PdCl2.
Рис. 8.35. Фотошаблон с защитным покры-
тием:
1—защитное покрытие (сульфид молибдена); 2 —
маскирующее покрытие (рисунок фотошаблона);
3 — основа фотошаблона (стекло, кварц)
Рис. 8.36. Спектральная характеристика диазофотопластин:
1 — проявленный неэкспонированный участок; 2 — проявленный проэкспонированный уча-
сток; 3 — непроявленная неэкспонированная пластина
327
Фотошаблоны на основе диазотипных материалов. Для изготовления цвет-
ных ФШ используют также диазофототехнологию. Возможность получения фо-
тографических изображений на основе диазотипных материалов обеспечивается
благодаря двум важнейшим свойствам: способности к образованию азокрасите-
лей при взаимодействии с веществами фенольного характера в щелочной среде
и чувствительности к свету, под действием которого диазосоединение разлага-
ется, образуя вещество, неспособное в дальнейшем к реакции азосочетания, т. е.
к образованию красителя.
Суть технологии состоит в следующем: если раствор полимера, содержащий
диазосоединение и азосоставляющую, нанести на какую-либо поверхность, про-
экспонировать под оригиналом и обработать парами аммиака, то места, соот-
ветствующие прозрачным участкам оригинала, останутся бесцветными, а соответ-
ствующие непрозрачным участкам — окрашенными. Диазотипный материал
состоит из подложки и полимерного слоя, содержащего диазосоединение и
азосоставляющую (как правило, стабилизатор, а иногда — пластификатор).
Спектральная чувствительность диазоматериала определяется структурой диазо-
соединения. По своей общей светочувствительности диазоматериалы могут от-
личаться в десятки раз. Путем подбора соответствующих азосоставляющих или
их комбинаций может быть получен краситель практически любого спектраль-
ного состава.
Разрешающая способность диазоматериала не зависит от структуры диазо-
соединения и часто определяется свойствами среды, образующей светочувстви-
тельный диазослой. На рис. 8.36 показаны спектральные характеристики прояв-
ленных и непроявленных диазофотопластин.
При изготовлении ФШ стекла предварительно тщательно отмываются от
жировых и других загрязнений при физико-химической активации поверхности
стекла ионно-плазменным способом. Разработана трехслойная структура диазо-
типного материала, предусматривающая наличие подслоя, например пленки по-
ливинил-бутираля, обеспечивающей хорошую адгезию к стеклу диазосветочув-
ствительного слоя на основе поливинилэтилаля и покровного слоя на основе
пентафталевой смолы с отвердителем, увеличивающего тиражестойкость ФШ.
Для нанесения и сушки рабочих слоев используют методы: экструзионные
и центрифугирование. Для пластин размерами 102X102 мм предпочтительнее
центрифугирование. Для изготовления диазофотопластин большого формата ра-
циональнее экструзионный полив. В этом случае применяют лазерную резку
пластин на нужный формат в режиме термораскола, обеспечивающую отсутствие
стеклянной крошки. Сушку политых диазофотопластин (ДФП) осуществляют в
термошкафу или проводят ИК-сушку, экспериментально определяя оптимальное
время и температуру сушки подслоя, диазослоя и защитного слоя.
Получены ДФП, на которых изготовлены диазофотошаблоны БИС со сле-
дующими эксплуатационными характеристиками: минимальный размер элемента
3 мкм (в экспериментах получены пропечатки линий шириной 0,75 мкм); пло-
щадь кристалла 0,25 см2; копировальная оптическая плотность более 2,0 в ин-
тервале волн 400...450 нм; минимальная оптическая плотность менее 0,2 в ин-
тервале волн 400...5000 нм; резкость края изображения 0,3 мкм; дефектность
менее 10% модулей (при исходной дефектности не хуже 0,7 см~2); тираже-
стойкость 20 контактов; размер ФШ 102X102 мм.
8.6. Контроль параметров фотошаблонов. Основные виды
дефектов ФШ и их определение
Контроль при изготовлении шаблонов является весьма ответственной опе-
рацией. Измерение ширины линий и плотности дефектов дает информацию, на
основании которой шаблон либо признают годным, либо бракуют.
Ширину линий измеряют на просвет визуально или с помощью автоматизи-
рованной телевизионной аппаратуры. Точность метода измерения определяется
как среднеквадратическое отклонение о для п замеров Хг на одном элементе
п
рисунка: о=( S (Xi— Х)2!пу/2, где X— среднее для измеренных значений. При
328
5
Рис. 8.37. Структурная схема
оптико-механического устройства
оптическом измерении ширины линий на шаблонах с пленкой хрома типичные
значения точности составляют 0,1...0,3 мкм.
Контроль размеров элементов ФШ. Для автоматизированного контроля
размеров элементов топологии хромированных, железоокисных и эмульсионных
ФШ в условиях массового производства микросхем предназначена установка
ЭМ-557.
Установка состоит из оптико-механического устройства (рис. 8.37) и стойки
управления. В состав оптико-механического устройства входит осветитель, двух-
координатный стол с датчиками линейного перемещения и оптический блок с
фотоэлектрическим каналом. Оптико-механическое устройство служит рабочим
местом оператора и имеет пульты управления и индикации, проектор с увели-
чением 100х для обзора контролируемых модулей и микроскоп с увеличением
625х для наблюдения контролируемых элементов. Стойка управления установки
ЭМ-557 выполнена на базе вычислительного комплекса, основу которого со-
ставляет микроЭВМ «Электроника 60», предназначенная для управления рабо-
той установки, обработки измерительной информации и выдачи результатов на
цифропечатающее устройство.
Установка ЭМ-557 работает по принципу фотометрирования изображения
контролируемого элемента при перемещении каретки с ФШ. Отсчет координат
каретки ведется с помощью датчиков линейных перемещений, ширина элемента
определяется автоматически посредством цифровой обработки сигнала фотомет-
329
рирования. Контролируемый ФШ помещается маскирующим покрытием вверх
в специальную рамку, которая вручную задвигается в приемное устройство
каретки координатного стола, ФШ при этом присасывается вверх с помощью
вакуума к опорной плоскости.
Осветитель 12 (рис. 8.37) с лампой накаливания КГМ-9-70 освещает сни-
зу ФШ 9 в проходящем свете. Световой поток, прошедший ФШ, попадает
через микрообъектив 8 с числовой апертурой ЛМ = 0,65 в оптический блок.
Изображение освещенного участка ФШ строится, во-первых, в плоскости ана-
лизирующей щели, выполненной на пластине 4 с зеркальным покрытием, во-
вторых, на экране проектора 5. Анализирующая щель совмещена с центром
поля изображения микрообъектива, а ее размеры, приведенные к плоскости
контролируемого ФШ, составляют 0,2x3 мкм. Световой поток, прошедший че-
рез щель, попадает на фотоэлектронный умножитель ФЭУ-84 3.
Световой поток, отраженный от пластины 4, направляется через двухком-
понентную систему 6 в визуальный канал микроскопа (бинокулярная насад-
ка 7), где строится изображение топологии ФШ совместно с изображением
анализирующей щели. Зеркальный элемент 4, фотоэлектронный умножитель 3
и первый компонент двухкомпонентной системы 6 с параллельным ходом лучей
закреплены совместно на каретке механизма точной фокусировки /, поэтому
изображение анализирующей щели в визуальном канале микроскопа остается
резким при любом положении механизма фокусировки с шаговым приводом 2.
Координатный стол выполнен с использованием технических решений, ха-
рактерных для нового поколения прецизионного оптико-механического обору-
дования. Он состоит из двухкоординатной каретки 10 на воздушной подушке
(без направляющих) с линейным шаговым приводом 13 и датчиками линейных
перемещений 11 с дифракционными решетками, включенными в качестве дат-
чиков обратной связи в следующую систему управления положением каретки
по координатам х, у и углу разворота ф.
Контроль совмещаемости фотошаблонов. Методы контроля совмещаемости
ФШ основаны на их наблюдении с помощью микроскопа сравнения, обеспечи-
вающего оптическое наложение друг на друга двух ФШ, окрашенных в допол-
нительные цвета (красный и зеленый). Совмещенные участки изображений
наблюдаются в нейтральном цвете, несовмещенные — как окрашенные изобра-
жения. Измерение рассовмещаемости контролируемых ФШ проводится в плос-
кости изображения с помощью микрометров, встроенных в оптические каналы
микроскопа сравнения.
Рис. 8.38. Оптическая
схема установки контро-
ля совмещаемости:
/—лампа; 2 — затвор; 3 —
конденсатор; 4 — контроли-
руемый фотошаблон; 5 —
объектив; 6 — зеркало; 7 —
блок наложения изображе-
ний; 8 — объектив фотоэлек-
трического микроскопа; 9 —
анализирующая диафрагма;
10 — фотоприемник
330
Таблица 8.9. Дефекты, возникающие в процессе фотолитографии
Вид дефекта Условия наблюдения, описание Возможные причины
1. Подтравливание ма- Под микроскопом при Проявитель слишком агрес-
скирующего слоя под увеличении Х100 в про- сивный:
пленкой ФР ходящем свете наблюда- ется «ободок» (клин травления) под фоторе- зистивной пленкой вслед- ствие проникновения травителя а)” велика концентрация; б) реактив слишком акти- вен; в) вязкость раствора. Травитель слишком агрес- сивный: а) велика концентрация; б) реактив слишком акти- вен.
2. Уменьшение разме- Под микроскопом в от- Переэкспозиция. Плохой
ра элементов микро- раженном свете наблю- контакт (контактная фото-
изображения дается рыхлый край фоторезиста, клин про- явления, «ласточкины хвосты» во внешних уг- лах, закрытых ФР эле- ментов литография) . Оптическая резкость не подобрана (проекционная ФЛ)
3. Увеличение разме- Кроме соответствующих Мала экспозиция. Мала
ров элементов микро- результатов измерения концентрация проявите-
изображения под микроскопом могут наблюдаться увеличен- ные элементы часто в клинном проявлении и монослое недопроявлен- ного резиста по краям ля. Велика вязкость прояви- теля. Реактив малоактивен. Недостаточная оптическая резкость изображения (про- екционная ФЛ)
4. «Нерезкость» изо- Одни и те же элементы Пластины неплотно разме-
бражения или нерав- в разных модулях вы- щаются на посадочном ме-
номерные уходы раз- полнены с различной сте (проекционная ФЛ)
мера по рабочему по- четкостью или измерение Неравномерная освещен-
лю пластины размеров одного и того же элемента в разных модулях дает неодина- ковый результат ность рабочего поля. Пло- хой контакт эталона с пла- стиной (контактная ФЛ). Неплоскостность поверхно- сти выше нормы
5. Невытравленные Островки невытрав лен- Воздушные пузырьки, обра-
точки ного маскирующего слоя наблюдаются под микро- скопом при увеличении Х200 зующиеся при погружении пластины в раствор как проявителя, так и травите- ля, затрудняющие доступ этих растворов к пленке ФР или маскирующего слоя. Пылинки на промежуточ- ном ФШ и на оптических деталях фотоповторителя, экранирующих фоторези- стовую пленку от засвет- ки (проекционная ФЛ). В контактной ФЛ пылинки, вдавленные в фоторезисто- вую пленку. В контактной ФЛ пылинки, частицы ФР,
331
Продолжение табл. 8.9
Вид дефекта Условия наблюдения, описание Возможные причины
прилипшие к эталонному ФШ при повторном экспо- нировании (без отмывки, экранируют участки фото- резистовой пленки от за- светки. Дефект «промежу- точного» ФШ в проекцион- ной ФЛ. Дефекты оптиче- ской системы осветителя. Дефект эталонного ФШ в контактной ФЛ. Жировые отпечатки пальцев и другие загрязнения; механические частицы в неотфильтрован- ных рабочих растворах
6. «Вырывы», «отли- пы» Проколы часто крупные, почти всегда с остатка- ми маскирующего слоя внутри (при контактной ФЛ) Слишком высокое давление в контактной рамке уста- новки экспонирования. Пы- линки, частицы ФР, прилип- шие к эталонному ФШ при неоднократных контактных экспонированиях без отмыв- ки, продавливают фоторези- стовую пленку
7. Неровный край эле- ментов изображения Там, где должна быть прямая линия, край эле- мента «пилообразный», волнистый и т. д. Загрязнен эталонный ФШ, особенно при отмывке сал- фетками, смоченными аце- тоном или другим раство- рителем. Дефект эталонно- го ФШ. Дефект оптической системы осветителя. Пере- проявление. Перетравлива- ние
8. Растрескивание пленки ФР Трещины по всей плен- ке ФР или трещины в углах элементов Возникновение напряже- ний в высококонтрастной пленке на основе резольных смол при проявлении в кон- центрированном проявителе
9. «Двойной» край элементов изображе- ния При контактной ФЛ по ФР параллельно истин- ному четкому краю на- блюдается проявленное изображение второй (ча- сто штриховой) линии. При этом возможны «ла- сточкины хвосты» Оптическая плотность эта- лонного ФШ ниже 1,8 (при 400 нм), особенно критичны ФШ с железоокисным мас- кирующим слоем. Переэкс- позиция при работе с эта- лонным ФШ малой опти* ческой плотности
332
Окончание табл. 8.9
Вид дефекта Условия наблюдения, описание Возможные причины
10. Несовмещаемость ФШ в комплекте Осевые линии X и У фигур совмещения рас- ходятся на величину бо- лее допустимой Качество контрольного ФШ не соответствуют оптималь- ным критериям. Установка совмещения имеет случай- ный собственный сдвиг по осям вследствие ремонта, наладки и т. д. Фотошаб- лоны одного комплекта из- готовлены на машинах, имеющих различный сдвиг по осям хну (ромбовид- ность)
Высокая точность контроля обеспечивается методом контроля совмещаемости
в плоскости предметов с помощью фотоэлектрического микроскопа (ФЭМ) и
датчиков линейного перемещения.
В состав такой установки входит двухкоординатный стол на аэростатиче-
ских направляющих, имеющий две позиции для установления контролируемой
пары ФШ. Перемещение стола производится линейными двигателями постоян-
ного тока, а измерение перемещения — датчиками на дифракционных решет-
ках. Упрощенная оптическая схема установки показана на рис. 8.38.
Контроль совмещаемости, заключающийся в измерении взаимного положе-
ния знаков или элементов топологии контролируемых ФШ, проводится по двум
оптическим каналам. Для этого край выбранного знака при перемещении ко-
ординатного стола подводится под оптическую ось фотоэлектронного микро-
скопа. В момент совмещения края с оптической осью ФЭМ вырабатывает им-
пульс наведения, по которому производится отсчет координаты положения
стола.
Рис. 8.39. Траектория
обхода топологии фото-
шаблонов при контроле:
а — «змейка»; б — «крест»
Рис. 8.40. Виды дефектов фотошаблона:
1 — недотравы; <7/ — проколы; 1 — темная точка?
2 — выступ; 3 — перемычка (закоротка); 4 — неров-
ность края; 5 —светлая точка; 6 — вырыв; Z — раз-
рыв; 8 — царапина
333
При контроле совмещаемости на рабочем поле ФШ возможны два вари-
анта траектории обхода: «змейка» (рис. 8.39, а) и «крест» (рис. 8.39,6). В пер-
вом случае контроль совмещаемости может проводиться по произвольному
числу модулей, во втором — по пяти модулям.
Перед началом работы контролируемые ФШ автоматически ориентируются
по жесткой программе. Предварительно оператор выбирает знаки (реперные
или элементы топологии ФШ), задает на пульте управления расстояние между
ними и устанавливает допустимую погрешность ориентации. После ориентации
по осям хну начинается цикл контроля совмещаемости по заданной траекто-
рии обхода. Результаты контроля выводятся на цифропечатающее устройство.
Виды дефектов, наблюдаемых при изготовлении шаблонов, приведены на
рис. 8.40. Основные дефекты, возникающие в процессе фотолитографии, при-
ведены в табл. 8.9.
8.7. Ретушь и корректировка топологии фотошаблонов
Ретушь фотошаблонов. Число дефектов в ФШ возрастает по мере увели-
чения степени интеграции и снижения размеров элементов. Все дефекты ФШ
можно разбить на две группы: 1) участки маскирующего покрытия, оставшиеся
на поверхности светлого поля ФШ, типа «недотрав», «выступ», «перемычка»,
«закоротка», и т. п.; 2) отверстия на темном поле ФШ типа «прокол», «раз-
рыв», «вырыв» и т. п.
В табл. 8.10 приведены основные дефекты металлизированных фотошабло-
нов БИС и их распределение по слоям. Для светлопольных ФШ (первый и
четвертый слои БИС) основными дефектами являются недотравы (15...20%),
для темнопольных (второй и третий слои БИС) — проколы (2О...25%), т. е. об-
щее число дефектных ячеек на ФШ довольно значительное и составляет 30...35%.
Устранение одних лишь недотравов позволяет увеличить выход годных ячеек
на послойном ФШ в среднем на 2О...25%.
Таблица 8.10. Основные дефекты рабочих фотошаблонов БИС
Номер фото- литографиче- ского слоя Годные ячейки, % Ячейки с дефектами типов, %
недотра в | прокол | недотрав и прокол
1 61,9 15 16,2 7,9
2 62,3 5,7 23 9
3 64,3 6,1 25 5,6
4 62,6 21,6 10 6,8
Прост и эффективен лазерный метод ретуши дефектов светлого поля ФШ
типа недотравов. Устранение недотравов основано на локальном удалении де-
фекта методом лазерного разрушения. Используя проекцию прямоугольной мас-
ки, можно с большой точностью устранить все дефекты такого рода путем их
испарения. На рис. 8.41 показан по стадиям процесс устранения недотравов
Рис. 8.41. Схема прямого (а) и обратного (6) локального лазерного переноса
вещества:
Д —донор; А — акцептор (стрелками указано направление переноса)
334
методом локального испарения. При малых размерах дефектов основным меха-
низмом удаления материала недотравов (типов 2— 4 на рис. 8.40) может быть
его расплавление с последующим перетеканием жидкого металла в соседние об-
ласти под действием сил поверхностного натяжения. Изолированные темные
точки (типа 1 на рис. 8.40) после расплавления принимают вид малых сфер,
которые не влияют на процесс перепечатки.
Некоторые статистические результаты по устранению дефектов ФШ на
светлом поле приведены в табл. 8.11.
Таблица 8.11. Результаты ретуши дефектов светлого поля ФШ БИС
Полное число ячеек на рабо- чем поле ФШ Среднее число годных ячеек на рабочем поле ФШ БИС Среднее увеличение годных ячеек, %
до корректировки после корректировки
31 (100%) 16 (49%) 26 (72%) 23
55 (100%) 29 (59%) 41 (74%) 21
Для ликвидации темнопольных дефектов может быть использован метод
локального лазерного переноса вещества. Для устранения дефектов темного
ноля путем их лазерного запыления приемлемы схемы прямого и обратного
лазерного переноса вещества. Однако возможность многократного напыления
пленки в одну и ту же зону и меньшие плотности светового потока, необходи-
мые для испарения вещества донорных пленок, дают преимущество методу
прямого переноса. В качестве материала донора при устранении проколов мо-
жет быть выбран любой, имеющий хорошую адгезию к пленке и подложке ФШ
и обладающий подходящими оптическими свойствами (достаточным поглоще-
нием света на рабочей длине волны ФШ). Хорошие результаты получены при
переносе пленки, прозрачной в видимой области света (Х=0,5...0,6 мкм). Поиск
дефектов можно вести непосредственно через эту пленку. Для удобства совме-
щения операций удаления и перенесения донорная пленка напыляется на
вспомогательную прозрачную для лазерного излучения подложку отдельными
участками. Это позволяет на одной и той же установке удалять недотравы
и запылять проколы. Если дефект имеет вид вырыва, разрыва, царапины и т. д.,
т. е. расположен вблизи края элемента, то при переносе вещества край может
быть искажен. Его можно восстановить методом удаления.
Комбинация методов удаления и переноса позволяет, не изменяя сущест-
вующего технологического процесса изготовления ФШ, приблизить выход год-
ных к 100% (не устраняются лишь дефекты подложки — сколы, трещины и т.п.)’
и дополнительно повысить срок службы каждого шаблона. В процессе эксплуа-
тации ФШ появляются новые проколы, вследствие чего через 20... 100 совмеще-
ний он выходит из строя. Методом переноса его можно реставрировать.
Возможно применение комбинированного метода, сущность которого ясна
из рис. 8.42. Сначала на поверхность ФШ наносится защитный слой, например
Рис. 8.42. Схема устранения прокола комбинированным методом:
1 — фоторезиста вная пленка; 2 — пленка ФШ; 3 — стеклянная подложка; 4 — прокол
в пленке ФШ
335
фоторезист (рис. 8.42,а), затем защитная пленка удаляется в области прокола
лазерным пучком (рис. 8.42,6), после чего прокол запыляется методом обрат-
ного переноса (рис. 8.42, в) и защитный слой снимается (рис. 8.42, г).
Лазерные методы применяют для оперативной корректировки топологии
ФШ, внесения или удаления дополнительных элементов. Эта операция особенно
выгодна на стадии проектирования и опытного изготовления микросхем.
Глава 9
Литографические процессы в технологии
микроэлектронных устройств
9.1. Сущность фотолитографии и основные процессы
В технологии микроэлектронных устройств литографические процессы уни-
версальны и наиболее часто повторяемы. Они используются для получения кон-
тактных и прецизионных свободных масок. Литографические процессы форми-
руют на поверхности слой стойкого к последующим технологическим воздейст-
виям материала, способного под действием облучения определенной длины волны
изменять необратимо свои свойства и прежде всего стойкость к проявителям.
Резистивный слой, локально облученный с помощью шаблона, обрабатывают
в проявителе, где в результате удаления локальных участков получают рези-
стивную маску.
В зависимости от длины волны применяемого излучения различают оптиче-
скую (фотолитографию), рентгеновскую, электронную и ионную литографию.
Фотолитография (ФЛ)— это совокупность фотохимических процессов, в ко-
торых можно выделить три основных этапа: формирование на поверхности ма-
териала слоя фоторезиста; передача изображения с шаблона на этот слой;
формирование конфигурации элементов устройств с помощью маски из фото-
резиста.
Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображе-
ния приводится в плотный контакт с фоторезистом (ФР) и бесконтактной (на
микрозазоре и проекционная ФЛ).
Негативные и позитивные ФР. Фоторезисты — сложные полимерные компо-
зиции. Фоторезисты, у которых растворимость экспонированного участка умень-
шается, называются негативными (ФН), а ФР, растворимость которых после
облучения возрастает,— позитивными (ФП). После обработки экспонированно-
го ФР в составе, удаляющем растворимые участки, образуется рельефное изо-
бражение (рис. 9.1), которое должно быть устойчивым к воздействию техно-
логических факторов.
Рис. 9.1. Образование рельефа при использовании ФШ и ФП
336
Основу образования рельефного изображения составляют:
фотополимеризация и образование нерастворимых участков; наиболее ти-
пичными для системы, в которой используется этот процесс, являются ФН —
эфиры коричной кислоты и поливинилового спирта, называемого сокращенно
поливинилциниаматом (ПВЦ);
сшивание линейных полимеров радикалами, образующимися при фотолизе
светочувствительных соединений. Использование каучуков с добавками свето-
чувствительных веществ (бисазиды и др.) дает возможность получить кисло-
тостойкие ФН;
фотолиз светочувствительных соединений с образованием растворимых ве-
ществ — большинство ФП, в которых фотолиз соединений, называемых нафто-
хинондиазидами (НХД), приводит к тому, что облученные участки становятся
растворимыми в щелочных составах.
Цепочка ПВЦ насчитывает тысячи атомов и скручена в длинную спираль,
от углеродной основы которой отходят цинамоильные группы. При поглощении
излучения с достаточной энергией рвется двойная связь С = С в цинамоильной
группе. Возникающие при разрыве свободные связи приводят к образованию
мостиков, сшивающих молекулу полимера в химически стойкую трехмерную
сетку.
Светочувствительность ФН на основе чистых каучуков недостаточна для
ФЛ. Поэтому к каучукам добавляют сенсибилизаторы (например, бисазиды),
содержащие двойные связи. Под действием излучения происходит разложение
бисазидов и образуются динитрены, которые вступают в химическую реакцию
с молекулами каучука, в результате чего возникает трехмерная сетка.
В ФЛ в процессе фотолиза образуются растворимые соединения, выбор
которых определяет класс используемого полимера (достаточно узкий) и спо-
соб проявления изображения. Из растворимых в щелочах полимеров по кисло-
тостойкости и способности к образованию пленок пригодны фенолформальде-
гидные смолы — новолачные и резольные. Полимеры вводят в ФР двумя спо-
собами: в составе сложного эфира со светочувствительным НХД и в виде
компонента раствора. Один из наиболее применяемых эфиров — эфир 1, 2-нафто-
хинондиазид-5-сульфокислоты и новолака — имеет следующее строение.
Соединяющий атом кислорода
Молекула НХД, не подвергнутая облучению, химически достаточно устой-
чива и препятствует взаимодействию с ФР водных растворов, как щелочных,
используемых для проявления, так и кислотных, в которых осуществляют впо-
следствии травление. Молекулы НХД распределены по всему объему слоя ФР,
но роль их особенно велика на поверхности, где они препятствуют разрушению
неэкспонированных участков. После ухода из слоя ФР молекулы азота и обра-
зования инденкарбоновой кислоты эти свойства теряются, экспонированные
участки легко смачиваются щелочным проявителем и вымываются.
22 Заказ № 1270 337
В ФР иногда добавляют мономерные сенсибилизаторы, изменяющие спект-
ральную чувствительность резиста. Важным компонентом ФР являются раство-
рители, от которых зависят стабильность жидких растворов, характеристики
нанесения, качество слоя ФР и т. д.
Молекулы ФР представляют собой полимерные цепочки разной длины
(длина молекулы каучуков может быть 1..2 мкм), и в некоторых случаях это
влияет на разрешающую способность ФЛ. Цепочки полимера имеют довольно
сложную форму, продиктованную стремлением системы достичь минимума сво-
бодной энергии. От основной цепи полимера отходят функциональные группы
(гидроксильные, галоидные, светочувствительные). Они определяют важнейшие
характеристики резистов: светочувствительность, химическую стойкость, адгезию,
эластичность пленки и др. Введение полярных групп повышает жесткость по-
лимера, введение галоидных увеличивает кислотостойкость ФР.
Параметры ФР. Рассмотрим ряд важнейших параметров ФР.
Светочувствительность — величина, обратная экспозиции, требуемой для пе-
ревода ФР в растворимое или нерастворимое (в зависимости от того, ФП или
ФН) состояние.
Разрешающая способность — максимальное число линий одинаковой шири-
ны, разделенных промежутками той же ширины, которое можно получить в
ФР на 1 мм.
Стойкость к воздействию агрессивных факторов — понятие, как правило, не
поддающееся общим определениям; в частном случае может означать величину,
пропорциональную времени отслаивания пленки ФР в используемом травителе
или проникновения травителя сквозь поры пленки ФР к подложке (с или мин).
В последнее время стойкость пленки ФР все чаще характеризуют плотностью
дефектов (мм~2), передающихся при травлении на подложку. Для ФП, в част-
ности, указывают важный параметр: устойчивость к воздействию стандартного
травителя (мин). Она должна быть по крайней мере на порядок выше времени
проявления.
Стабильность эксплуатационных свойств ФР во времени выражается сроком
службы при определенных условиях хранения и использования. Обеспечение
этого параметра — одна из важнейших проблем.
К основным зависимостям, описывающим поведение ФР, относятся спектры
поглощения и характеристические кривые. Спектры поглощения ФН показаны
на рис. 9.2. У резистов на основе каучуков с бис-азидами наблюдается один
отчетливый максимум на длине волны около 370 нм. Фоторезисты на основе
ПВЦ имеют два максимума поглощения: один, как у сенсибилизированных кау-
Рис. 9.2. Спектр поглощения ФН:
1 — каучук с бис-азидом; 2 — сенсибили-
зированный ПВЦ; 3 — экспонированный
резист
Рис. 9.3. Спектр поглощения ФП:
1 — новолачная смола № 18 (0,73 мкм):
2 — ФР на основе НХД № 7 (1,7 мкм);
3 — НХД № 7(0,17 мкм) до экспонирова-
ния; 4 — то же после экспонирования
338
чуков, связан с поглощением сенсиби-
лизатора (360...370 нм), другой отра-
жает поглощение самого ПВЦ (280 нм).
Позитивные ФР характеризуются
Также двумя максимумами поглощения
(рис. 9.3) на длинах волн 350 и 400 нм.
Оба максимума связаны с поглощени-
ем одной и той же молекулы НХД.
Спектры поглощения определяют тип
источников экспонирования, помогают
выбрать материалы для экранирования
пластин с ФР от засвечивания.
При экспонировании слоя резиста
вид спектра поглощения меняется. Эти
изменения отражают процессы разру-
шения светочувствительных молекул или
сшивания полимерных цепей.
Полезным «выходом» реакции по-
глощения является изменение толщины
Рис. 9.4. Характеристические кривые
для ФН и ФП
слоя ФР после проявления. Для оценки этого процесса снимают характеристи-
ческие кривые (рис. 9.4). Кривая 1 показывает, как увеличивается толщина ФН
на экспонированных участках по мере роста экспозиции. Из этой кривой можно
найти важные параметры резиста: чувствительность где Н2 — экспози-
ция, при которой слой полностью задублен (или разрушен в случае ФП); кон-
трастность Y=(^-^i)/(^2-^i) и фотографическую широту
где Hi—экспозиция, при которой начинается сшивание или разрушение слоя.
Для ФП можно снять аналогичную характеристическую кривую 2 на
рис. 9.4. Более полную информацию о поведении ФП дает зависимость скорости
проявления от экспозиции, которую также называют характеристической. При
работе с ФП важно, чтобы слой находился в щелочном проявителе минималь-
ное время (при этом число дефектов минимально), т. е. следует определить
экспозицию, обеспечивающую максимальную скорость проявления.
При экспонировании ФН часто возникает по краю рисунка характерный
ореол, вызванный отражением света от подложки. В проявителе пленка ФН
разбухает, что приводит к искажению размеров. Процесс растворения незадуб-
ленной части слоя ФН подчиняется диффузионным ограничениям; по этой
причине трудно проявить элементы малых размеров. По выборе типа ФР боль-
шое значение имеют не только разрешающая способность, но и кислото- или
щелочестойкость. Позитивные ФР не выдерживают щелочных травителей, хотя
известны попытки создать щелочестойкий резист на основе О-нафтохинондиа-
зидов путем добавления эпоксидных групп. Негативные ФР устойчивы к воз-
действию кислот и щелочей, особенно ФН на основе каучуков.
Отечественной промышленностью серийно выпускаются позитивные
(ФП-383, ФП-РН-7 и др.) и негативные (ФН-5ТК, ФН-11, ФН-11К, ФН-4ТВ
и др.) фоторезисты, а также светочувствительные продукты, являющиеся осно-
вой ФП, такие как № 30, 27, 11 (продукты № 83 и 7, входящие в резисты
ФП-383 и ФП-РН-7, отдельно не выпускаются). Эти продукты представляют
собой сложные эфиры НХД и какой-либо фенолформальдегидной смолы, на-
пример новолака. В молекулах этих полимеров водород может быть замещен
галоидом — бромом, хлором, йодом. Введение подобных функциональных групп
позволяет изменять свойства резистов: способность к растворению, адгезию к
определенным подложкам, кислотостойкость.
Фоторезист ФН-11—прозрачная жидкость светло-коричневого цвета,
представляющая собой раствор циклокаучука, фотосшивающего агента в смеси
коилола с толуолом и применяемая в процессах ФЛ металлов: меди, хрома,
алюминия. В качестве фотосшивающего агента используется 2,6 бис-(4-оцидо-
бензоль)-4-метил-циклогексана. Кинематическая вязкость (7...9)-10~6 м2/с.
Разрешающая способность при толщине пленки ФР 2,5 мкм равна 100 ли-
ний/мм. Светочувствительность на уровне 0,5 мкм равна 10 Дж/см2 Сухой
остаток не превышает 15%, а содержание азота в сухом остатке 1,1 %.
22*
339
Фоторезист ФН-103 — вязкая прозрачная жидкость от красновато-
желтого до темновато-красного цвета, представляет собой раствор циклокаучука
в смеси ъолуола и n-ксилола и содержит в качестве светочувствительной добав-
ки 2,6-ди-(4-озидобензаль)-4-метилциклогексанона (ДЦГ). Применяется также
в качестве защитного электроизоляционного слоя микросхем. В состав ФР вхо-
дят: 15%—циклокаучука; 0,4% ДЦГ; 56,4% толуола; 28,2% n-ксилола. Вяз-
кость фоторезиста (11...15) • 10”6 м2/с; показатель преломления 1,5; плотность
0,85...0,89 г/см3; разрешающая способность при толщине пленки фоторезиста
1,5 мкм равна 50 линий/нм.
Фоторезисты ФП-383, ФП-330 — вязкие прозрачные жидкости оранже-
вого цвета, представляющие собой растворы светочувствительных продуктов и
иоволачной смолы в диоксане. Вязкость при 293 К равна (5,94-0,5) • 10~6 м2/с;
разрешающая способность 400 лин/мм, кислотопроницаемость пленки ФР тол-
щиной 1 мкм характеризуется плотностью дефектов диоксида кремния и для
ФП-330 равна 0,75 мм-2, для ФП-383 — 0,5 мм~2. Устойчивость в проявителе
(2%-ный раствор тринатрийфосфата) необлученной пленки ФР 60 с. В основу
ФР входят светочувствительные продукты № 330 и 383, представлящие собой
эфиры 1,2-нафтохинондиазид (2)-5-сульфокислоты и различных полифенолов.
Светочувствительные продукты — порошки желтого цвета, содержащие до 5%
азота; 0,6% влаги и 1,5% нерастворимых примесей.
Фоторезист ФП-334 — прозрачная жидкость от оранжевого до корич-
невого цвета, представляющая собой 25%-ный раствор светочувствительного и
пленкообразующего компонентов в смеси растворителей. Кинематическая вяз-
кость при 293 К равна (4,5±0,5) • 10~6 м2/с; разрешающая способность
400 линий/мм; устойчивость необлученной пленки ФР в проявителе 10 мин; кис-
лотопроницаемость пленки ФР толщиной 1 мкм характеризуется плотностью
дефектов диоксида кремния и не превышает 0,2 мм“2.
Фоторезист ФП-307 — прозрачная жидкость оранжевого цвета, пред-
ставляющая собой раствор светочувствительного продукта и иоволачной смо-
лы № 18 в диоксане. Вязкость (6±1,0)-10~6 м2/с; разрешающая способность
500 линий/мм; кислотопроницаемость пленки ФР толщиной 1 мкм характери-
зуется плотностью дефектов диоксида кремния и не превышает 0,35 мм”2; ус-
тойчивость необлученной пленки ФР в проявителе (1,5%-ный водный раствор
тринатрийфосфата) равна 90 с.
Фоторезист ФП-333 — вязкая прозрачная жидкость бронзового цвета,
представляющая собой 23%-ный раствор светочувствительного и пленкообра-
зующего компонентов в смеси растворителей. Вязкость при 293 К равна
2,8 10”6 м2/с; разрешающая способность при толщине пленки ФР 0,8 мкм равна
0,2 мм-2, а устойчивость к 1 %-ному водному раствору тринатрийфосфата 3 мин.
Фоторезист ФП-РН-7 — прозрачная жидкость темно-оранжевого цвета,
представляющая собой раствор светочувствительного ортонафтохинондиазида
и фенолформальдегидных смол в смеси органических растворителей. Содержа-
ние сухого осадка в продукте 20%; вязкость при 293 К равна
(2,28...2,54) • 10"6 м2/с; плотность 0,9 г/см3, разрешающая способность при тол-
щине пленки ФР 0,7...0,8 мкм равна 500 линий/мм. Маскирующие свойства ФР
в буферном травителе при толщине пленки 0,7 мкм, определяемые как плот-
ность проколов в пленке, не превышает 3%.
Подготовка поверхности подложки. Одним из основных факторов, опреде-
ляющих качество фотолитографического процесса, является очистка поверхности
подложки для получения хорошей адгезии ФР к поверхности подложки. Она
зависит от его химического состава и строения, состояния поверхности подложки
и режимов формирования пленки. На процесс формирования адгезионного со-
единения существенное влияние оказывает влажность окружающей среды.
Относительная влажность окружающей среды не является постоянным фак-
тором, воздействующим на поверхность подложки. Большинство процессов ФЛ
проводится на поверхности, покрытой оксидами. Структурная вода может вхо-
дить в состав оксида в виде гидроксильных групп ОН и присутствовать на
поверхности оксида в виде молекул. Для удаления влаги перед нанесением
ФР поверхность подложки подвергается отжигу. При 400...500 К удаляется во-
да, слабо связанная с поверхностью, а при 750...800 К удаляется часть гид-
роксильных групп. Для удаления влаги с поверхности подложки применяют
340
также гексаметилдисилоксан (ГМДС) (CH3)3Si—NH—Si(CH3)3, который хорошо
гидролизуется влагой воздуха. На поверхности подложки протекают следующие
реакции:
2SiOH+ (СН3) 3Si—NH—Si (СН3) 3—^2SiOSi (СН3) 3+NH3;
Н2О + (СН3) 3Si-NH-Si (СН3) 3—> [ (СН3) 3Si] 2О + NH3.
В первой реакции образуются аммиак и новая группа Si—О—Si(CH3)3 со
строго ориентированными функциональными группами СН3, обладающими боль-
шой инертностью к молекулам других веществ. При этом дисперсионное воз-
действие максимально для молекул одинаковой полярности (—Si—СН3; C6Hi2
и СеН6) и минимально для молекул разной полярности (—Si—СН3 и Н2О).
Вода не адсорбируется на поверхности подложки, обработанной ГМДС, и ФР
имеет хорошее сцепление с поверхностью. Во второй реакции образуются гек-
саметилдисилоксан и аммиак, которые испаряются с поверхности подложки.
Подложки с диоксидом кремния на поверхности обрабатываются различ-
ными способами: групповой обработкой (погружение в тефлоновой кассете с
перемешиванием; погружение и обработка в парах ГМДС при нагреве с по-
следующим центрифугированием с частотой 3000...6000 мин-1); индивидуальной
обработкой погружением; обработкой погружением с последующим центрифу-
гированием. После извлечения из ГМДС подложки обдуваются азотом (хра-
нение подложек составляет 15 ч).
Подготовка поверхности подложек перед нанесением ФР включает: гидро-
механическую обработку щеткой в течение 10 с при частоте вращения щетки
140 мин-1, частоте вращения центрифуги 500 мин-1 и расходе деионизованной
воды 0,1 л/мин; сушку азотом в течение 15 с при частоте вращения центрифуги
5000 мин-1; обработку парами ГМДС 5...10 с при частоте вращения центрифуги
200...500 мин-1 и расходе паров ГМДС 80 л/ч.
Регрессионный анализ результатов измерения угла смачивания поверхностей
SiO2, Si3N4 и поликристаллического кремния с различной подготовкой позволил
получить зависимость, которая может быть использована для определения по
углу смачивания нижних границ подготовки поверхности подложек 0'=37,2+
+0,370, где 0' — угол смачивания (по воде) после обработки парами ГМДС
поверхности пластины; 0 — угол смачивания (по воде) поверхности пластины до
обработки парами ГМДС.
При подготовке поверхности подложек перед нанесением ФР можно исклю-
чить дегидратационную сушку (рис. 9.5), организовать межоперационный задел
обработанных подложек с временем хранения до 24 ч (рис. 9.6).
Нанесение слоя ФР на подложку. Чаще всего этот процесс осуществляется
центрифугированием (рис. 9.7, а). При включении центрифуги жидкий ФР рас-
текается под действием центробежных сил. Прилегающий к подложке гранич-
ный слой формируется в результате уравновешивания центробежной силы, про-
порциональной числу оборотов, и силы сопротивления, зависящей от когезии
молекул резиста.
513№4 Поли- I Si3N4Si3N4
* кремний! Поли-
кремний?
Рис. 9.5. Влияние метода подготовки по-
верхности пластин на угол смачивания 0:
а — высокотемпературный отжиг; б — гидромеха-
ническая обработка деионизованной водой и па-
рами ГМДС
Рис. 9.6. Зависимость 0/0' от времени при воздействии на подложки паров
ГМДС (/) и после хранения этих подложек в течение 24 ч (2)
341
Рис. 9.7. Способы нанесения ФР:
а — центрифугирование; б — распыление; в — электростатическое нанесение; г — окунание;
д — нанесение волнами:
/—дозатор для подачи ФР: 2, 8, 12, 14, /7 — подложки; 3 — столик центрифуги;
-/—'привод; 5 — тахометр; 6 — двигатель; 7 — нагреваемая планштайба; 9—форсунка по-
дачи резиста; 10 — форсунка; 11 — кольцо для зарядки ФР; 13 — заземленный пьедестал;
15 — фильтрованный сжатый воздух; 16 — емкость для сбора ФР; 18—ведущий ролик;
19 — подача ФР; 20 — ролик нанесения
Метод центрифугирования позволяет формировать резистивный слой на
подложке диаметром до 350 мм с отклонением в центральной ее части 5 нм
от общей толщины 860 нм. Формирование слоя происходит в течение 20...30 с.
При подаче ФР из дозатора (капельницы) на неподвижную подложку время
между нанесением жидкого резиста и включением центрифуги должно быть ми-
нимальным (0,5...1 с), чтобы вязкость ФР не менялась в результате испарения
растворителей. Толщина слоя и его качество определяются типом ФР и его
вязкостью, максимальной частотой вращения, ускорением и замедлением цент-
рифуги, температурой и влажностью окружающей среды, свойствами поверхно-
сти подложки. Ускорение центрифуги влияет на равномерность толщины фор-
мируемых резистивных слоев. Время достижения заданной частоты вращения
центрифуги изменяется в пределах 0,1...3,6 с. При более высоких ускорениях
слой ФР получается более тонким и равномерным по всей поверхности под-
ложки. Утолщение слоя к краю подложки (валик) уменьшается при более вы-
соких частотах вращения. Длительное центрифугирование приводит к неравно-
мерности толщины слоя. Это связано с различной вязкостью ФР в разные мо-
менты времени, что вызвано неодинаковыми условиями формирования слоя,
поскольку скорость растекания резиста растет в квадрате по отношению к ра-
диусу при удалении от центра пластины.
Начальная стадия центрифугирования, включающая время, в течение кото-
рого происходит изменение скорости, оказывает влияние на формирование слоя
ФР. П роцесс формирования происходит в три этапа:
1. Растекание резиста. Доза резиста, подаваемая в центр пластины при вра-
щении, растекается по ее поверхности неравномерно. Причина — большое на-
чальное ускорение на первых двух оборотах центрифуги, в результате чего из-за
влияния сил вязкости образуется пограничный слой. Область ФР, иа которую
мало влияет его вязкость, в начальный момент вращения пластины под дейст-
вием центробежных сил смещается от центра, а в дальнейшем ее площадь и
смещение увеличиваются. На втором-третьем оборотах поверхность пластины
полностью покрывается ФР. При этом с одной стороны поверхности пластины
342
(еще при незаконченном процессе растекания) начинается сбрасывание излиш-
ков резиста.
2. Сбрасывание излишков ФР. Поскольку доза ФР смещается до поверх-
ности пластины относительно ее центра, процесс сбрасывания ФР начинается
на краю пластины с небольшой дуги, которая постепенно увеличивается, но
не замыкается в окружность. Это свидетельствует о неодинаково напряженном
состоянии резистивного слоя на поверхности пластины и требует дальнейшего
изучения процесса его формирования с целью определения оптимального спо-
соба предварительного покрытия поверхности пластины ФР перед центрифуги-
рованием. Сбрасывание излишков ФР следует регулировать ускорением и ча-
стотой вращения. Этот процесс заканчивается на третьем — шестом оборотах
центрифуги.
3. Формирование профиля слоя ФР. Полученный профиль следует сохранять
в течение операции нанесения ФР, не допуская появления «лучевого разбега»
и образования краевого валика.
Медленный разгон или даже двухступенчатое (сначала медленное, затем
быстрое) изменение скорости частоты вращения центрифуги позволяет получать
более качественные слои ФР.
Нанесение ФР распылением (рис. 9.7, б) позволяет получать широкий ин-
тервал толщины слоев, причем подложка может иметь неплоскую поверхность.
Фоторезист наносится из пневматического распылителя. Параметры слоя зави-
сят от давления и температуры воздуха, расстояния от сопла до подложки,
вязкости резиста и концентрации сухого продукта, типа растворителя. Расход
ФР при распылении можно уменьшить примерно в 10 раз, а дефектность слоя
(вследствие отсутствия напряжений) в 3...4 раза по сравнению с пленками, по-
лучаемыми центрифугированием. Отсутствие краевого утолщения делает метод
распыления особенно эффективным при нанесении фотослоя на прямоугольные
подложки.
При электростатическом нанесении (рис. 9.7, в) ФР диспергируется с по-
мощью форсунки либо само электрическое поле дробит жидкость на мелкие
капли диаметром примерно 10 мкм. Заряженные капли ускоряются полем и
осаждаются на подложку.
Для нанесения ФР используется полив или окунание (рис. 9.7,г), а также
валиковый способ. Установка конвейерного типа (рис. 9.7, д) обеспечивает равно-
мерность толщины слоя ±5%. Нанесение ФР окунанием — наиболее простой
способ нанесения покрытия, когда обрабатываемую подложку погружают в ФР
и выводят из него с регулируемой скоростью. Качество пленок на этой стадии
определяется типом установки, режимом нанесения, свойствами ФР (составом
светочувствительного компонента, растворителя, вязкостью, плотностью жидко-
сти и т. д.), параметрами подложек (размером, свойствами поверхности).
Важнейшим параметром нанесенной пленки является стабильность ее тол-
щины. Зависимость между толщиной пленки и скоростью движения подложки
выражается формулой d = 2/3y ыт]/pg sin а, где d — толщина пленки; и — ско-
рость движения подложки; ц — вязкость жидкости; р — плотность жидкости;
g — ускорение свободного падения; а — угол между горизонтальной плоско-
стью и касательной, проведенной в точке касания подложки жидкостью.
Сушка. Окончательному формированию слоя ФР, при котором происходит
удаление растворителя, способствует сушка. При этом в пленке ФР происходят
сложные релаксационные процессы, уплотняющие молекулярную структуру слоя,
уменьшающие внутренние напряжения и повышающие адгезию слоя к подложке.
Неполное удаление растворителя из слоя снижает его кислотостойкость: при
экспонировании молекулы растворителя экранируют нижележащий слой и после
проявления, например, позитивного ФР возникают дефекты в виде нераство-
ренных микрообластей. Правильно организованная сушка должна обеспечивать
непрерывную диффузию растворителя к поверхности слоя и его испарение с по-
верхности. Уплотнение структуры должно происходить в направлении от пла-
стины к поверхности слоя, полностью вытесняя растворитель из ФР. Градиент
температуры должен быть направлен от поверхности слоя к пластине.
Зависимости времени экспонирования и точности передачи размера элемента
после проявления от температуры сушки пластины приведены на рис. 9.8, При
343
Рис. 9.8. Зависимость времени экспониро-
вания (/) и точности передачи размера
элемента (2) от температуры сушки
проведении сушки опасны перепады тем-
ператур и слишком быстрый нагрев. Мак-
симальную температуру сушки выбирают
для конкретного типа ФР, исходя из кон-
стант термолиза светочувствительных мо-
лекул; при превышении этой температуры
изображение не проявляется или для его
проявления требуется большее время, в
результате чего растет плотность дефек-
тов и падает точность передачи размеров
элементов.
При конвективной сушке, осуществляемой в термостатах при не-
высоких температурах (363...373 К), на поверхности ФР преждевременно обра-
зуется сухой слой. Дальнейшее удаление растворителя становится возможным
лишь в результате разрыва этого слоя, что увеличивает плотность дефектов.
Образование поверхностного сухого слоя можно затормозить, если приготовить
ФР на основе смеси растворителей с различной летучестью. В зависимости от
состава и толщины фотослоя при конвективной сушке требуется выдержка в те-
чение 10...60 мин.
При инфракрасной сушке источником теплоты является полупро-
водниковая пластина, поглощающая ИК-излучение, тогда как окружающая
среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) сохраняет примерно
комнатную температуру благодаря непрерывной продувке. Так как «фронт суш-
ки» перемещается от пластины к поверхности слоя, качество сушки существен-
но повышается, а время сокращается до 5... 15 мин.
При СВЧ- сушке нагрев пластин осуществляется в процессе поглощения
электромагнитной энергии СВЧ-поля. Мощность печей 200...400 Вт, рабочая
частота 2,45 ГГц, время сушки — несколько секунд.
При любом методе сушки режим ее (температура и время выдержки) долж-
ны исключать преждевременные структурные превращения (например, полиме-
ризацию ФН). Обычно допустимая температура сушки не превышает 393 К.
Высушенный фотослой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч.
Совмещение. Начиная со второй ФЛ необходимо совмещать рисунок ФШ
с рисунком на подложке. В настоящее время используются визуальный и авто-
матизированный фотоэлектрический способы совмещения. При визуальном ме-
тоде точность совмещения определяется принципом работы и качеством выпол-
нения микроманипуляторов, размером и контрастностью знаков совмещения,
формой знаков, а также постоянством этих параметров в процессе технологи-
ческих обработок подложки. Оптимальными могут считаться знаки, образующие
при совмещении штрих, вписанный между двумя другими штрихами. Ширина
штрихов может равняться 3 мкм, длина в 10 раз превышать ширину, контраст-
ность 0,3...0,4. Зазоры между совмещенными штрихами должны составлять 4...7'.
Манипуляторы обеспечивают точность перемещения ±0,1 мкм, но реальная
точность визуального совмещения составляет обычно ± 1 мкм. Для работы та-
ких установок требуются специальные опорные знаки: на ФШ непрозрачные
штрихи, на подложке вытравленные канавки, ширина которых в 2...4 раза
больше, чем штриха.
Автоматизированный фотоэлектрический способ совмещения более объек-
тивен в отличие от визуального, определяемого индивидуальными особенностями
оператора и ручным перемещением подложки. Предварительно с помощью опти-
ческого микроскопа проводят грубое, а затем с помощью фотоэлектрического
микроскопа точное совмещение. Точность совмещения равна ±0,5 мкм. Одна
из основных трудностей обеспечения точного совмещения — создание механиз-
мов плавных перемещений подложек на расстоянии менее 1 мкм.
Экспонирование и проявление. Эти процессы неразрывно связаны между
собой. Выбор режима экспонирования и проявления осуществляется в следую-
344
щей последовательности. С грубым приближением находят время экспонирова-
ния и проявления, при котором получается удовлетворительное качество релье-
фа. При работе с ФР проверяют плотность проколов в слое резиста данной тол-
щины, для чего на пластину окисленного кремния с известной плотностью де-
фектов в оксиде наносят слой ФР, высушивают его и проявляют в течение вре-
мени, примерно вдвое большего, чем найденное вначале время проявления.
Затем проводят вторую сушку, травление и определяют, насколько увеличилась
плотность дефектов в оксиде из-за проникновения травителя сквозь проколы
в слое резиста. При этом предполагается, что рост плотности дефектов вызван
только процессом проявления. Для сравнения проверяют плотность дефектов на
непроявленном слое. Если при максимальном времени проявления плотность де-
фектов слишком велика, следует увеличить толщину слоя или сменить ФР и
снова повторить описанные выше процедуры.
Затем устанавливают зависимости точности передачи размеров изображе-
ния от времени проявления при фиксированном времени экспонирования и от
времени экспонирования при фиксированном времени проявления; в результате
находят оптмальные времена, соответствующие точности передачи, близкой к
единице. Подбирая время экспонирования, тщательно стабилизируют остальные
факторы, влияющие на точность передачи размеров изображения: колебания
освещенности, неизбежный зазор между фотошаблоном (ФШ) и резистом, по-
вышение температуры слоя, иногда возникающее при экспонировании.
Термообработка (вторая сушка). Сушка проявленного слоя осуществляется
для восстановления набухшего рисунка и придания устойчивости фоторезистив-
ной маске к последующим воздействиям. Чтобы края ФР не оплывали, термо-
обработку, особенно для толстых слоев, лучше проводить при плавном или сту-
пенчатом нагреве.
9.2. Реперные знаки в фотошаблонах
Достигнутое уменьшение размеров элементов и зазоров между ними предъ-
являет повышенные требования к точности совмещения рисунков на подложке
и ФШ. Точность совмещения характеризуется суммарной погрешностью, зави-
сящей от параметров оборудования и возможностей оператора (опыта, квали-
фикации, эргономических факторов). В зависимости от типа реперных знаков
(прозрачные или непрозрачные окна на ФШ) предельные погрешности совме-
щения одного и того же оператора могут быть ±0,885...1,401 мкм.
Повышение точности совмещения обеспечивается автоматизацией процесса,
что позволяет устранить субъективные ошибки оператора. При автоматическом
совмещении с использованием фотоэлектрических микроскопов (ФЭМ) контроль
взаимного положения подложки и ФШ ведется при помощи реперных знаков,
которые должны иметь улучшенные параметры по сравнению со знаками для
визуального совмещения. Прежде всего это относится к контрастности знаков.
Она должна сохраняться при ряде последовательных ФЛ. На всех стадиях об-
работки подложки реперные знаки должны иметь минимальные смещения фо-
тометрических осей, а также минимальные изменения формы и размеров. Необ-
ходимо обеспечить резкость границ знаков, они должны быть технологичны и
не вносить загрязнений в структуру приборов при высокотемпературных опе-
рациях. Необходимо, чтобы знаки позволяли регистрировать как можно мень-
шее значение их рассовмещения при использовании ФЭМ и визуальном контро-
ле. Кроме того, следует компенсировать погрешности, возникающие при по-
лучении знаков на ФШ и их переносе на подложку.
Структура знака. Может обеспечить его цветовой или яркостный контраст
на фоне подложки (табл. 9.1). Цветовой контраст возникает при интерференции
света у поверхности оксидной пленки, нанесенной на подложку, причем знаки
выполняются в виде вытравленных в этой пленке сплошных углублений
(рис. 9.9). Цвет участка подложки и знаков создается равномерным белым
светом за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интерференции.
В общем случае разности хода лучей AZi и Д/2 для пленок оксида тол-
щиной Ц и t2 соответственно записываются как Д/1 = 2^п cos i'; Д/2=2/2п cos
где п — коэффициент преломления света окисной пленки; i' — угол падения лу-
ча на нижнюю поверхность окисной пленки.
345
и V Vj
Рис. 9.9. Реперный знак в виде сплошных углублений
в оксидной пленке:
/ — поликремниевая пластина; 2 — оксидная пленка (U и V,
Vi — соответственно падающие и отраженные лучи)
Таблица 9.1. Влияние структуры знака на контрастность
Характеристи- ка знака Вид контраста
цветовой | яркостный
Структура Сплошное Плоская по- Глубинная Растровые Шерохова-
углубление верхность канавка углубления тая поверх-
в оксидной пленке (рис. 9.9) инородного материала (рис. 9.10) (рис. 9.11) (рис. 9.12) ность (рис. 9.13)
Коэффици- ент контра- стности 0,3 0,1 0,6...0,85 0,6...0,85 0,6...0,85
Глубина рельефа, мкм 0,2...0,4 0 10...20 2...5 0,1...1
Смещение оси, мкм — — 0,5...1 0,5...1 0,02...0,03
Гасящая интерференция определяется условием Д/= (2/г+1)^/2, где k —
порядок интерференции; X— длина волны излучения.
При изменении толщины оксидной пленки, неизбежном при выполнении
ряда ФЛ, цветовой контраст знаков будет непостоянным. Кроме того, коэффи-
циент их контрастности недостаточен для фотоэлектрической регистрации сов-
мещения.
Края таких знаков из-за «клина» травления диффузно рассеивают падаю-
щий на них свет и кажутся темными полосами на светлом фоне подложки, т. е.
обладают яркостным контрастом. Это явление используется при наблюдении
знаков, причем для уменьшения влияния интерференции света на оксидной плен-
ке предлагается наносить на поверхность ФР дополнительное покрытие с малым
коэффициентом пропускания и большим коэффициентом отражения неактинич-
ного излучения, применяемого при совмещении (органические пленки типа
родамина или тонкие пленки алюминия, свободно пропускающие актиничное из-
лучение, имеющее меньшую длину волны по сравнению с видимым светом).
В автоматизированных системах совмещения используют преимущественно
знаки с чисто яркостным контрастом, который получают внедрением в поверх-
ность подложки на участке знака инородного материала, имеющего отличный
от подложки коэффициент отражения (рис. 9.10). Таким материалом может
быть, например, ситалл, которым заполняют канавки в подложке, покрытые
тонким слоем оксидной пленки (рис. 9.10, а). Однако коэффициенты отражения
подложки и участка знака после их совместного полирования различаются
недостаточно для получения требуемой контрастности. Поэтому для регистрации
таких знаков предпочтительнее использовать инфракрасное излучение, не про-
пускаемое ситаллом. В этом случае знаки могут размещаться на обратной сто-
роне подложки. При высокотемпературных операциях, например эпитаксии,
возможно их разрушение и загрязнение реакционного объема и получаемых
структур посторонними материалами.
Для исключения загрязнений обычно используют знаки типа (рис. 9.10,6)
«глубинные ямки», имеющие конфигурацию знаков, заполненных поликристал-
лом того же материала, что и материал монокристаллической подложки. Кон-
346
Рис. 9.10. Знаки с плоской
поверхностью ситалла (а) и
поликристалла (б):
/ — кремниевая пластина; 2 —
оксидная пленка; 3 — ситалл;
4 — поликристаллический крем-
ний
ИА А^
4 2 f
Uv VU t/u I I I
0)
трастность знака невелика и определяется различием коэффициентов отражения
подложки и полосок окисной пленки по периметру знака, а также дефектами
в поликристалле.
Высокой контрастностью обладает группа знаков, участки которых имеют
не плоские, а рельефные по отношению к подложке поверхности, рассеивающие
падающий на них световой поток, например знак в виде глубинной канавки в
подложке (рис. 9.11,а), дающий в отраженном свете изображение в виде
темного штриха с узкой светлой полоской в середине. Совместно со штриховым
знаком на ФШ они образуют конфигурацию биесектора для совместной фото-
электрической регистрации. Контрастность этого знака обусловливается тем, что
отраженные от его поверхности лучи рассеиваются в пределах угла 2<р, опре-
деляем ого для случая однократного отражения света соотношением sin(p=
== (s/2r2)y4r2—s2, где г — радиус сферической или цилиндрической поверхности
элемента; s — размер сечения элемента.
Максимальное значение (2(р=180°) угол рассеяния имеет при s=y2r. При
уменьшении значения s угол рассеяния уменьшается. Увеличение s приводит
к многократному отражению лучей от поверхности элемента, что также умень-
шает угол рассеяния, который в данном случае можно определить из выра-
3 / 5 \ ---------
жения 2ф =-—I 180°—arc sin — I, где У2г<$<2г.При s=2r получаем 2ср = 120°.
Неравномерное распределение ФР по профилю канавки при нанесении его
методом центрифугирования приводит к смещению фотометрической оси знака
(рис. 9.11,6). При последовательном выполнении ряда фотолитографий ФР на-
носится на подложку несколько раз и неравномерность заполнения канавки мо-
жет быть непостоянной, что ведет к нестабильности положения фотометриче-
ской оси (рис. 9.11, в).
Используют знаки в виде растров идентичных симметричных поверхностей,
например цилиндрических лунок, у которых линии пересечения поверхностей
О)
Рис. 9.11. Знак в виде глубинной канавки (а), схема
ской оси (б, в)
Рис. 9.12. Знак с растровыми углублениями (а), схема смещения фотометриче-
ской оси (б, в)
всех элементов лежат ниже рабочей поверхности подложки (рис. 9.12, а). Глу-
бина микрорельефа в этом случае уменьшена в 4...5 раз по сравнению с преды-
дущим знаком. При нанесении ФР в каждом элементе растра происходит сме-
щение фотометрической оси в меньшей степени, чем у глубинной канавки
(рис. 9.12, б, в).
Знаки могут иметь форму квадратов, заполненных множеством канавок
или пирамидок с наклонными гранями, образованными травлением защитной
оксидной пленки или непосредственно материала подложки. Косое отражение
света от наклонных граней приводит к диффузному его рассеянию, в связи с
чем наблюдаемый в микроскоп знак кажется темным на фоне подложки.
При глубине рельефа не более 2...5 мкм регулярность структуры знака
не имеет существенного значения и может быть заменена совокупностью впадин
и выступов произвольной формы. Знак может быть в виде рельефа, образо-
ванного совокупностью дислокаций и заданной области. Предварительно дис-
локационные области формируют электронно-лучевой обработкой участка, а за-
тем методом ФЛ вскрывают в оксидной пленке окна в заданных участках и
матируют обнаженные поверхности путем вытравливания на них дислокаций.
При плотности дислокаций 107 см~2 параметры полученного рельефа примерно
соответствуют растровому знаку.
Для улучшения параметров необходимо создание знаков с глубиной релье-
фа не более 1 мкм, выполненного в виде шероховатости на поверхности под-
ложки (рис. 9.13, а). Контрастность знака тем выше, чем меньшая часть падаю-
щего на него светового потока отражается им зеркально.
Уменьшение зеркального отражения участка знака р3 в результате
шероховатости со среднеквадратической неровностью а имеет вид рз=
=роехр[—(4лю/Х cos г)2], где р0 — отражательная способность идеально глад-
кой поверхности материала знака; X — длина волны излучения, падающего
под углом к нормали поверхности.
При нормальном падении излучения на шероховатую поверхность с отноше-
нием о/Х>0,2 зеркальная составляющая отражения близка к нулю. Для' види-
мой части спектра (X = 0,4...0,76 мкм) минимально допустимое значение средне-
квадратической неровности о^О,08...0,152 мкм.
Минимально допустимым значением шероховатости поверхности знака для
работы с видимым светом можно считать /?а = 0,1 мкм, а оптимальным диапа-
зоном шероховатости участка знака /?а=0,1...1 мкм. Таким рельефом обладают,
например, участки поликристаллического кремния, полученного при эпитаксии
на подложку, имеющую участки, заполненные поликристаллом (рис. 9.13,6).
Конфигурация знаков на подложке и ФШ взаимосвязана с условием их
совмещения, которое может предусматривать контакт элементов знаков, равен-
ство зазоров или площадей между этими элементами и, наконец, соосность то-
чек их пересечения (табл. 9.2).
Когда условием совмещения является контакт элементов знаков, погреш-
ность совмещения А включает, кроме наблюдаемого рассовмещения у, еще и
координатные погрешности размеров обоих знаков 81 и е2.
При выполнении условия совмещения, т. е. при контакте линий и точек
обоих знаков (рис. 9.14, а) или пары линий этих знаков (рис. 9.14,6), погреш-
ность совмещения будет равна сумме этих двух погрешностей. Когда размер
знака на подложке из-за погрешностей превышает размер знака на ФШ, сов-
мещение должно проводиться по одной стороне знаков, в то время как с другой
стороны образуется зазор, равный 81 + 82- При визуальном совмещении опытные
операторы совмещают знаки так, чтобы с обеих сторон оставались одинаковые
Рис. 9.13. Знаки в виде ше-
роховатой поверхности на
кремниевой пластине (а) и
на подложке из поликри-
сталлического кремния (6):
1 — монокристаллическая крем-
ниевая пластина; 2 — окисная
пленка; 3 — поликристалличе-
ский кремний
348
Таблица 9.2. Влияние конфигурации знаков на условия совмещения
Характеристика знака Условия совмещения знаков
Контакт элементоя Равенство зазоров (площадей) Соосность точек пересече- ния элементов
линия— линия- точка линия
Конфигурация Погрешность со- вмещения Контактирующие Биссектор- Пересекаю- Линейные фигуры (рис. 9.14) ные щиеся фи- растры (рис. 9.15) гуры A = 6-4-(ei+e2) (рис. 9.16) Д = а—Ь—6 А=(6/2)1дф
Рис. 9.14. Совмещение знаков в виде контактирующих фигур:
а — контакт линии с точкой; б — контакт линии с линией
зазоры, т. е. по существу переходят ко второму условию совмещения (рис. 9.15J.
В этом случае контролируемой является разность зазоров (рис. 9.15, а) или
площадей (рис. 9.15,6) с обеих сторон совмещенных знаков. При этом из-за
симметричного изменения размеров обоих знаков их погрешности относительно
центральных осей взаимно уничтожаются, что повышает точность совмещения.
Знаки с использованием равенства зазоров или площадей (биссекторные)
наиболее распространены в практике ФЛ. В качестве условия совмещения зна-
ков можно использовать соосность точек пересечения их элементов, развер-
нутых друг относительно друга на угол ф. Симметричные изменения размеров
знаков в виде пересекающихся фигур (рис. 9.16) не влияют на точность сов-
мещения. Рассовмещение точек пересечения элементов в таких знаках связано
с погрешностью совмещения 6=(2/tgif>)A. При достаточно малых углах раз-
ворота элементов (5...20°) наблюдаемое рассовмещение во много раз превышает
значение А.
Дальнейшим развитием знаков этого типа является использование вместо
одной пары пересекающихся элементов их совокупности. В этом случае знаки
на подложке и ФШ выполняют в виде линейных растров, представляющих
собой ряды темных и светлых полос одинаковой ширины. При развороте оси
одного из растров на угол ф возникает «муаровый» эффект. Он заключается
в появлении системы чередующихся светлых и темных комбинационных полос,
перемещающихся при совмещении в перпендикулярном направлении
349
б)
Рис. 9.15. Биссекторные знаки совмещения:
а — равенство зазоров между элементами знаков; б — равенство площадей
тотермическую
Рис. 9.16. Знаки совмещения в виде пересекающихся фигур
В случае равенства шагов <7i = <72=^ обоих линейных раст-
ров шаг G образующихся комбинационных полос равен 0=
= q 12sin ф/2 — 71 sin ф.
В одном из таких знаков при шаге растров 6 мкм (шири-
на полосы <7i = <72=3 мкм) и угле ф=5°44' шаг комбинационных
полос составляет 60 мкм. Соотношение между наблюдаемым
рассовмещением знаков и погрешностью совмещения в данном
случае аналогично предыдущему варианту.
Кроме линейных растров при совмещении используют круго-
вые растры и их сочетания. Они предназначены для контроля
углового совмещения объектов.
9.3. Удаление резистивной маски
маскирующей пленки ФР
Для удаления ФР используют: деструкцию полимера (на-
пример, сульфированием в серной кислоте); обработку в органи-
ческих растворителях; плазмохимическую, термическую или фо-
обработку, сводящуюся в основном к окислительной деструкции
в кислороде или кислородсодержащих газах.
Химическая деструкция ФП в серной кислоте. Приводит к образованию
коротких цепей полимера (наволака) и сульфированных мономеров НХД групп.
После обработки в серной кислоте проводится отмывка водой Эффективное
сульфирование идет в нагретой до 433 К концентрированной кислоте либо ее
смеси с двухромовокислым калием (хромпиком) или с перекисью водорода.
Смесь серной кислоты с 30 %-ной перекисью водорода (3:1) обеспечивает при
более низкой температуре (343...373 К) хорошую очистку поверхности.
Удаление ФР химической деструкцией серной кислоты не применимо для
металлизированных подложек, кроме того, нагрев серной кислоты свыше 433 К
приводит к образованию пленки сернистого кремния, влияющей на процессы
окисления и диффузии.
Органические растворители. Рассмотрим наиболее часто используемые рас-
творители.
350
Диметилформамид (CH3)2NCOH (молекулярная масса 73,09)—бес-
цветная подвижная жидкость со слабым специфическим запахом; температура
плавления 334 К; температура кипения 426 К при давлении 1030 Па; смешива-
ется с водой, спиртом, ацетоном, эфиром, галоидосодержащими и ароматиче-
скими соединениями.
Дибутилфталат (С6Н4СООС4Н9)2 (молекулярная масса 278,25)—бес-
цветная жидкость с тонким фруктовым запахом; температура плавления 308 К,
температура кипения 603...613 К.
Четыреххлористый углерод СС14 — бесцветная негорючая жид-
кость со сладковатым запахом; температура кипения 349,75 К; плотность
1,593 г/см3.
Трихлорэтилен С2С13Н (молекулярная масса 131,399) — бесцветная
жидкость с запахом, напоминающим запах хлороформа; температура кипения
360,19 К; хорошо растворим в органических растворителях, плохо в воде. Один
из наименее токсичных хлорсодержащих растворителей. Предельно допустимая
концентрация паров в воздухе 0,05 мг/л. При длительном хранении на свету по-
степенно окисляется кислородом воздуха до СОС12.
Моностаноламин H2NCH2CH2OH (молекулярная масса 61,08)—вяз-
кая гигроскопическая жидкость, смешивается с водой и спиртами, хорошо рас-
творима в СНС13, плохо в углеродах и эфире; температура кипения 444,1 К при
давлении 105 Па.
Метилэтилкетон СНзСОСН2СН3 (молекулярная масса 71,1)—бесцвет-
ная жидкость, по запаху напоминает ацетон; температура кипения 352,57 К.
Взрывоопасная концентрация паров в воздухе 1,97... 10,2%; с органическими
растворителями смешиваются во всех отношениях; растворимость при 293 К в
воде 26,8%.
Д и о к с а н С4Н8О2 (молекулярная масса 88)— бесцветная прозрачная жид-
кость со слабым приятным запахом; ядовита, легко воспламеняется, с водой и
обычными органическими растворителями смешивается во всех отношениях;
плотность при 293 К 1,03 г/см3; температура затвердевания 283,5 К; температу-
ры кипения 374 К, вспышки 284 К, самовоспламенения паров в воздухе 313 К;
температурные взрываемости насыщенных паров в воздухе (нижний 277, верх-
ний 331 К).
Толуол С7Н8 (молекулярная масса 92,14)—бесцветная жидкость с харак-
терным запахом, не растворимая в воде, но растворимая в ацетоне и смеши-
вающаяся в любых отношениях со спиртом и эфиром; с воздухом толуол об-
разует взрывоопасные смеси; оказывает раздражающее действие на нервную
систему; температурный диапазон перегонки при давлении 1030 ГПа 382...384 К;
плотность при 293 К 0,866 г/см3; показатель преломления света 1,495; нелетучий
осадок не превышает 0,001%, а содержание влаги 0,03%.
Хлорбензол С6НбС1 (молекулярная масса 112,56)—бесцветная прозрач-
ная жидкость с характерным запахом, смешивающаяся во всех отношениях со
спиртом, этиловым эфиром и не растворимая в воде; плотность при 293 К
1,1 г/см3; показатель преломления света 1,52; температурный предел, при ко-
тором перегоняется 95% при давлении 105 Па, 403...433 К.
Изопропиловый спирт С3Н8О (молекулярная масса 60,6)— бесцвет-
ная прозрачная жидкость, смешивающаяся с водой во всех отношениях; тем-
пература кипения 353...355,5 К.
М-ксилол С3Ню (молекулярная масса 106,17)—бесцветная прозрачная
жидкость с характерным бензиновым запахом, хорошо растворяющая смолы,
каучук, масло и жиры; растворяется в спирте и эфире; горюча.
Выбор растворителя для удаления пленки ФР с поверхности пластин можно
осуществить только после количественной оценки растворимости этой пленки
в растворителе.
Оценку растворимости можно провести в соответствии с теориями Гиль-
дебранда — Скетчарда и Флори — Хаггинса. Согласно первой теории растворе-
ние будет происходить при любых соотношениях полимера ФР и растворителя,
если мольная энтальпия смешения будет близка к нулю в уравнении ДЯ=
= (61—62)2V1cp1cp2, где 61 — параметр растворимости полимера ФР; 62 — па-
раметр растворимости растворителя; — мольный объем; <р2 — объемные
доли полимера и растворителя соответственно.
351
Параметры растворимости компонентов определяются соотношениями:
E\[V\ мол; б2=Т/Л^2/^2 МО л,
где Ех — мольная теплота испарения полимера или энергия когезии; Е2 — моль-
ная теплота испарения растворителя; Vi мол—мольный объем полимера;
V2 мол—мольный объем растворителя.
Для полимеров физический смысл мольной теплоты испарения или энергии
когезии заключается в величине межмолекулярного взаимодействия, которое
осуществляется в результате действия сил трех типов: дисперсионных, водород-
ных связей и обусловленных наличием диполей.
Для практического использования наиболее удобной является трехмерная
концепция параметра растворимости — концепция Хенсена, в которой каждый
из типов взаимодействия представлен как компонент общего параметра рас-
творимости:
бо6Щ= /£/^ол - V{Ed + Ep + Eh)IVMOn = + +
где Ed — энергия дисперсионного взаимодействия; Ер — энергия полярного взаи-
модействия; Eh — энергия взаимодействия водородных связей; 6d — параметр
растворимости, обусловленный дисперсионным взаимодействием; 6Р — параметр
растворимости, обусловленный полярным взаимодействием; 6л — параметр рас-
творимости, обусловленный взаимодействием водородных связей.
Из теории Гильденбранда — Скетчарда следует, что чем ближе значения
параметров растворимости, тем лучше растворение компонентов. Однако из
уравнения по концепции Хансена следует, что и при близких значениях бобщ
полимера и растворителя могут встречаться случаи нерастворимости данного
полимера в данном растворителе. Это бывает, когда определенный вид взаимо-
действия полимера сильно отличается от взаимодействия того же типа другого
компонента при равенстве общего параметра растворимости, т. е. если бобщ
равны, но есть расхождения хотя бы по одному из трех параметров раство-
римости. Оценить растворимость полимера в конкретном растворителе можно,
для чего необходимо сравнить параметры растворимости.
Позитивные ФР различаются составом, но в качестве основы большинство
их имеет фенолформальдегидные смолы, параметры растворимости которых
представлены в табл. 9.3.
Таблица 9.3. Параметры растворимости полимеров и растворителей
Вещество Параметры растворимости, МДж/м3
\)бщ «л
Фенолформальдегидная смола: новолачная резольная Диметилформамид Этилцеллозольв 23,1 18,4 8,2 11,2 26,7 19,2 10,8 15,1 24,77 17,38 13,7 5,9 24,07 16,01 9,2 14,3
В производстве изделий электронной техники для удаления ФР часто ис-
пользуют диметилформамид. Из табл. 9.4 видно, что значения бобш фенолфор-
мальдегидных смол и диметилформамида близки по своим значениям. Но по
параметру 61 имеется существенное расхождение. Однако на практике приме-
нение диметилформамида не всегда дает хорошие результаты, особенно для
пленок ФР, прошедших длительную термообработку при высоких температурах.
Параметры растворимости этилцеллозольва, приведенные в табл. 9.3, более
близки к параметрам растворимости основ ФР, чем параметры диметилформа-
352
мида. Позитивные ФР лучше растворяются в этилцеллозольве, чем в диметил*
формамиде. При обработке в диметилформамиде на поверхности пластин об-
наруживаются остатки ФР, которые приходится удалять ватным тампоном.
Удаление пленки ФР с поверхности пластин в этилцеллозольве идет при тем-
пературах более низких, чем в диметилформамиде, а ФН-РН-7 полностью уда-
ляется и в холодном этилцеллозольве. При повышении температуры раствори-
теля время удаления пленки ФР с поверхности пластин уменьшается. После
удаления ФР пластины отмываются в деионизованной воде, нагретой до 323 К,
в течение 10 мин, затем в деионизованной воде без подогрева 10 мин.
Практикуют длительные выдержки (до 24 ч) пластин в органических рас-
творителях с последующим удалением разбухшего рельефа механически (там-
поном). Эффективное удаление ФР с алюминия осуществляют в нагретой до
353 К смеси диметилформамида с моноэтаноламином (1 : 1). Качество удале-
ния в органических растворителях существенно зависит от температуры второй
сушки. Желательно, чтобы эта температура была минимальной, не выше 393 К.
При 423...473 К происходит глубокая полимеризация ФР, что усложняет уда-
ление рельефа с подложки органическими растворителями даже при дополни-
тельном механическом воздействии, т. е. протирке тампоном или ультразвуковой
обработке.
С целью поиска пути повышения качества обработки пластин проводился
анализ процессов удаления позитивного ФР на основе нафтохинондиазида и
фенолформальдегидных смол (ФН-РН-7) с окисленных кремниевых пластин
(табл. 9.4). Химическая обработка в растворе на основе перекиси водорода и
гидроокиси аммония с добавлением этиленгликоля и поверхностно-активного
вещества (ПАВ) обеспечивает наиболее эффективное удаление ФР, создавая
предпосылки для улучшения качества последующей химической обработки.
Таблица 9.4. Результаты удаления ФР с поверхности окисленных
кремниевых пластин
Метод удаления Реактив Краевой угол смачивания водой, град Число светя- щихся точек в темном поле микро- скопа Характер поверхности
Химический Диметилформамид 42±2 78 Гидро- фобная
H2O2:H2SO4=1 :3 2±2 60 Гидро- фильная
Н2О2: NH4OH : : С3Н4О : ПАВ = ... 2±2 Отсутству. ют »
Плазмо- химический Азот 45 330 Гидрофоб- ная
С целью повышения эффективности удаления металлических примесей
(Au, Cd, Fe и Zn) после снятия ФР пластины обрабатывались в буферном рас-
творе, содержащем хлор-ионы, переводящие металлические примеси в легкорас-
творимые и комплексообразующие соединения.
Комплексный анализ фотолитографических и химических процессов показал
возможность эффективного удаления адсорбированных на поверхности полу-
проводника органических и неорганических примесей (до 1010 см-2) с помощью
растворов одинаковой с ними химической природы, в которых механизм десорб-
ции примесей преобладает над механизмом адсорбции их поверхностью полу-
проводника.
Удаление ФР после травления слоя металлизации и пассивирующего слоя.
Для определения скорости разрушения металлизации в результате взаимодейст-
вия металлизации с контактирующей средой при удалении ФР, влияния особен-
23 Заказ № 1270
353
1'1!Г*А/№*
МО -
Рис. 9.17. Характерные зависимости (1—3) плотно-
сти гальванического тока тестовой структуры от
концентрации водного раствора растворителей ФР
м
160
во
80
100 ct%
ностей процесса на скорость разрушения ис-
пользуют тестовую структуру, состоящую из
алюминиевого анода и кремниевого катода,
разделенных оксидом кремния. Алюминиевый
анод представляет собой гребенку металли-
зации, кремниевый катод — область не защи-
щенной оксидом кремниевой пластины в фор-
ме гребенки, зубья которой расположены меж-
ду зубьями гребенки алюминиевого анода.
Удаление ФР осуществляется либо в растворителе на основе диметил-
формамида, либо на установках плазмохимического удаления ФР. Добавление
к органическим растворителям органических оснований (этаноламинов) улуч-
шает качество процесса. Удаление ФР проводится в органических смесях сле-
дующих составов: моноэтаноламин : перекись водорода = 7 : 1, этиленди-
амин : триэтаноламин —- диметилформамид=3 : 12 : 60, моноэтаноламин : диметил-
формамид : вода=5 : 15 : 1.
Плотность тока тестовой структуры прямо пропорциональна температуре,
при которой растворяется ФР, и, как правило, не превышает 20 10”6 А/см2
(рис. 9.17). Наибольшие коррозионные гальванические токи отмечены на этапе
отмывки, при которой содержание растворителя на поверхности пластины из-
меняется в пределах 100...0%.
Минимальный разрушающий гальванический ток образуется при удалении
ФР в диметилформамиде (рис. 9.18). Применение в композициях (рис. 9.19)
моноэтаноламина (5), триэтаноламина (2), этилентиамина (1) повышает кор-
розионные токи при отмывке пластин от растворителей. Из рис. 9.19 видно, что
максимальный гальванический ток тестовой структуры имеет место при кон-
центрации этих активаторов в водном растворе, равной 20±10%. Возрастание
гальванического тока на завершающей стадии отмывки связано с увеличением
в результате диссоциации аминов в воде содержания групп ОН“.
Измерение pH воды в отмывочной ванне при отмывке пластин от смесей,
включающих амины, показало, что время, в течение которого в отмывочной ван-
не существует щелочная среда, находится в зависимости от расхода воды, числа
одновременно отмываемых пластин, конструкции отмывочных ванн.
При отсутствии контроля характеристик воды (нейтральность или pH) в
отмывочной ванне на завершающей стадии отмывки при большом числе одно-
временно обрабатываемых партий не всегда гарантируется полное удаление сле-
дов органических щелочей с поверхности
пластин.
Рис. 9.18. Характерные зависимости
плотности гальванического тока тес-
товой структуры от концентрации
водного раствора компонентов рас-
творителя ФР
Рис. 9.19. Характерные зависимости
плотности гальванического тока
тестовой структуры от концентрации
водного раствора компонентов ра-
створителя ФР
354
Рис. 9.20. Схематическое изображение установки плазмохимического удаления
фоторезиста:
1 — разрядная камера; 2 — индуктор; 3 — обкладки конденсатора; 4 — натскатель; 5— ре-
дуктор; 6 — источник газа; 7 — ротаметр; 8 — клапан; 9 — крышка; 10— вакуумный дат-
чик; 11 — вакуум-привод; 12 — выпускной клапан
Наличие между алюминиевыми шинами и подложкой, а также в пассиви-
рующем слое пор, трещин, зазоров, щелей сильно затрудняет полное удаление
следов растворителя с поверхности кристалла. При взаимодействии алюминия
со щелочами на поверхности алюминия не образуется защитная пассивирующая
пленка. Поэтому в дальнейшем в присутствии влаги следы органических щело-
чей способствуют протеканию щелевой коррозии.
Применение в составе растворителя для удаления ФР моноэтаноламина,
этилендиамида, триэтаноламина увеличивает коррозионный гальванический ток,
особенно в переходном процессе отмывки, когда концентрация водного раствора
этих аминов на поверхности пластины составляет 20±10%.
Чтобы уменьшить разрушение алюминиевой металлизации протекающими
гальваническими токами, необходима сократить время их воздействия с по-
мощью максимального увеличения потока воды на одну пластину.
Для снижения влияния остатков органических смесей необходимо обеспе-
чить контроль качества отмывки, а также исключить появление на поверхности
пластины микропор, трещин, зазоров, щелей.
Эффективное удаление ФР можно проводить в среде кислорода при
973...1073 К. Одновременная окислительная и термическая деструкция увеличи-
вает скорость удаления ФР. Освещение подложки ультрафиолетовым светом
позволяет резко снизить температуру обработки: резист удаляется при 253 К
за 25...40 мин. Добавление 2% озона ускоряет процесс удаления ФР.
Плазмохимический метод удаления ФР. В основе метода лежит обработка
в низкотемпературной кислородной плазме при давлении 5-Ю2 Па. В плазме
образуются активные частицы: атомарный кислород, озон и возбужденные мо-
лекулы кислорода. Содержание атомарного кислорода, например, может дости-
гать 10...20%, столько же содержится возбужденного молекулярного кислорода.
Под действием активного кислорода ФР разлагается. Введение 1% азота цозво-
ляет увеличить скорость удаления ФР на 20%, а 1% водорода на 100% по
сравнению со скоростью удаления в чистой кислородной плазме.
Схема установки для плазмохимического удаления ФР показана на рис. 9.20.
От ВЧ-генератора возникает разряд между электродами. Генераторы работают
на частоте 13,56 МГц при выходной мощности на электродах 300... 1200 Вт.
Кислород поступает в реакционно-разрядную камеру (расход газа 120...
1000 см3/мин) и непрерывно откачивается вакуумным насосом для поддержания
давления на уровне 1,3 -103 Па.
9.4. Методы переноса изображений
Контактный метод. Обеспечивает возможность получения элементов с раз-
мерами 2 мкм на полях 100X100...200X200 мм. Обеспечить достаточно плотный
контакт и отсутствие местных зазоров по большим площадям практически за-
23*
355
Рис. 9.21. Оптические эффекты
при контактной печати
Рис. 9.22. Распределение интенсивности в
изображении угла элемента микроизобра-
жения, обусловленное дифракционными
эффектами
труднительно; увеличение же площади приводит к уменьшению возможной
разрешающей способности метода.
Зазор при контактировании двух поверхностей (за исключением оптического
контакта) носит случайный характер, т. е. имеет место неконтролируемый за-
зор, что приводит к ряду оптических эффектов (рис. 9.21). К ним относятся
влияние апертуры экспонирующего пучка на искажение размеров элементов;
отражение света между контактируемыми поверхностями; дифракция света на
краях элементов; рассеяние света в толще светочувствительного материала
(ФР); интерференция падающего и отраженного света в толще ФР, образова-
ние стоячих волн. К искажению изображения приводят механическая и темпе-
ратурная деформации пластин 6 при контактировании, которые создают не-
совмещаемость изображений различных слоев топологического рисунка.
Наличие зазора приводит к тому, что размеры элементов искажаются из-за
конечной апертуры источника излучения, т. е. некоторого угла расходимости
а пучка 1 световых лучей. Так, при наиболее часто используемых апертурах
освещающего пучка 2а=3...8°, образующаяся область полутени увеличивает
размер элемента на 0,5...5 мкм при колебании зазора 3 между объектом 2 и
светочувствительным слоем 4 в диапазоне Д=5...2О мкм. Использование иммер-
сионной жидкости с показателем преломления света п=1,5...2 (при этом угол
расходимости пучка изменяется в п раз) позволяет уменьшить область полу-
тени, однако введение ее усложняет процесс экспонирования и приводит к
возникновению дефектов.
Многократные отражения между контактируемыми поверхностями, особенно
при наличии на них металлических пленок 5 (хрома, алюминия и т. д.) с боль-
шим коэффициентом отражения, приводят не только к возникновению эффекта
полутени, но и к интерференции отраженных пучков, зависящей от разности
фаз, соответствующей зазору и изменению его в пределах области многократ-
ного отражения. Эти явления приводят к отклонению размеров элементов и
искажению их формы из-за интерференционных эффектов и неравномерности
дозы экспонирования.
При использовании металлизированных ФШ с хромовым отражающим по-
крытием (R «0,7) в контактной ФЛ с малыми зазорами до Д«5...1О мкм мно-
гократные отражения являются основным фактором, ограничивающим точность
передачи размеров элементов, причем отклонения размеров по этой причине
могут достигать 0,5...1,5 мкм. Уменьшения этого эффекта можно добиться, ис-
пользуя малоотражающие покрытия с R «0,04...0,1 и иммерсию, однако пол-
ностью устранить его в контактном методе практически невозможно.
Принципиально неустранимым оптическим эффектом является дифракция,
проявления которой в контактной печати многообразны. Если бы можно было
обеспечить идеальный (оптический) контакт между двумя поверхностями, то
при переносе изображения с объекта идеального контраста (полностью непро-
зрачный рисунок) дифракционные эффекты возникли бы из-за огибания свето-
вой волной края элементов и некоторого размытия краев изображения, соответ-
ствующего толщине h светочувствительного слоя. Очевидно, что при этом диф-
ракционные искажения в ФЛ (h «0,5 мкм) минимальны. Обеспечить достаточно
356
плотный контакт, хорошее взаимное прилегание поверхностей невозможно из-за
неплоскостности пластин и трудноустранимой пыли.
Топологический рисунок в технологии микроэлектронных устройств часто
выполняется на маскирующих покрытиях с оптической плотностью d —1,4... 1,8,
т. е. покрытиях, пропускающих несколько процентов падающего светового по-
тока. Прошедший через маскирующее покрытие свет интерферирует с дифра-
гированным на краях элементов основным световым потоком и приводит к
искажениям изображения.
Длина когерентности излучения L«[s/(2Z)]%, где s — расстояние до источ-
ника света; 2Z— размер источника излучения; % — длина волны света. Для
реальных условий экспонирования (s = 300 мм; лампа типа ДРШ с 2/ = 5 мм)
L>25...30 мкм, т. е. имеет место когерентное сложение света. В этом случае
контраст интерференционной картины высок даже при небольшой доле света,
прошедшего через маскирующее покрытие. Если этот свет составляет лишь
1...2°/о от дифрагированного, то контраст интерференционной картины равен
k—Qt33...0,43 и по краям элементов в изображении присутствует интерферен-
ционная структура {оконтуривание, двойной край). Наибольшие искажения име-
ются на углах элементов топологического рисунка, где накладываются интер-
ференционные картины от двух сторон, образующих угол элемента. Типичное
распределение интенсивности в изображении угла элемента рисунка, обуслов-
ленное дифракционными эффектами, представлено на рис. 9.22. Распределение
интенсивности имеет характерную лепестковую структуру, приводящую к не-
ровности края и деградации углов элементов.
Дифракционные эффекты, т. е. распределение интенсивности в изображении
при контактной печати, накладывают существенные ограничения на возможности
метода: приводят к изменению размеров элементов; искажают форму элемен-
тов, особенно их углов; сужают допустимый диапазон экспозиций; вызывают
оконтуривание элементов (двойной край).
Для снижения влияния дифракции используют более коротковолновую об-
ласть оптического излучения. Для уменьшения зазора между плоскостями объ-
екта и изображения следует применять плоские пластины, а также подбирать
для экспонирования пластины с кривизной одного знака и не допускать исполь-
зования пластин, имеющих две или более зоны с неровностями поверхности.
Уменьшить дифракционные искажения при контактной печати можно с помощью
иммерсионной жидкости. Целесообразно, чтобы показатель преломления жид-
кости совпадал с показателем преломления материала маскирующего покрытия,
образующего рисунок топологии.
Для уменьшения интерференционных искажений необходимо использовать
некогерентный свет, источники с пониженной когерентностью излучения, для
чего можно увеличить размер излучающего тела и апертуру источника света.
Устранение дифракционных искажений и области полутени путем ликвида-
ции зазора в результате увеличения усилия прижима при контактировании по-
верхностей недопустимо, так как приводит к двум нежелательным эффектам:
увеличению удельного давления и, как следствие, повышенной дефектности
изображения из-за повреждения светочувствительного слоя или подложки; воз-
никновению повышенных усилий сжатия-растяжения и, как следствие, дефор-
мации подложки, повышенной несовмещаемости изображений различных слоев
рисунка топологии. Несовмещаемость и деформация изображения ограничива-
ют возможность увеличения площади экспонирования и производительности
процесса. Наиболее трудноустранимой причиной несовмещаемости изображений
при контактной печати являются контактные деформации. Разность температур-
ных коэффициентов линейного расширения контактируемых объектов достаточно
просто реализуемой температурной стабилизации этих объектов и условий экс-
понирования несовмещаемости изображений по этой причине можно устранить.
Так, для пары кремний — стекло с температурными коэффициентами линейного
расширения aK = 24-10~7 град”1 и ас=64-10-7 град~1 поддержание стабильности
температуры в пределах Д/=±0,5 К дает несовмещаемость изображений на
базовом расстоянии Л=100 мм не более, чем бн~±0,2 мкм. Причиной разности
температур может являться и радиационный нагрев, поэтому в высококачест-
венных системах контактной печати необходимо принимать меры по отводу
357
тепла, используя, например, интерференционные покрытия, отражающие ИК-об-
ласть спектра и пропускающие актиничное излучение.
Контактные деформации подложек с объектом и изображением могут до-
стигать больших значений и приводят к значительно большему несовмещению
рисунков. Причем выделяют два основных вида деформаций и две причины
несовмещения изображения соответственно: совместный изгиб контактируемых
пластин и усилия сжатия-растяжения, возникающие при трении в отдельных
точках контактирования.
Условия деформации пластин при контактной печати определяются: формой
пластин, их механическими свойствами, формой опоры пластин, взаимораспо-
ложением первичных точек контактирования (соприкосновения), коэффициентом
трения между контактируемыми поверхностями. Одним из основных дестаби-
лизирующих факторов при контактной печати является именно трение между
поверхностями, которое препятствует выравниванию пластин даже при значи-
тельных усилиях. Коэффициент трения при сухом контакте одних и тех же ма-
териалов имеет разброс до 100% и более, причем этот разброс увеличивается
при использовании в системах контактирования вакуумных прижимных уст-
ройств. Такая нестабильность условий контактирования приводит к несовме-
щению отдельных изображений до 1...2 мкм и более. Другой дестабилизирую-
щий фактор, связанный с исходной неплоскостностью контактируемых пластин,—
случайное расположение на их поверхности первичных точек контактирования,
в которых при прижиме возникают большие удельные давления, высокие усилия
трения и относительно которых происходит деформация ближайших областей
изображения. Метод контактной печати с использованием прижимных устройств
неизбежно приводит к деформации изображения и несовмещаемости различных
слоев.
Совмещаемость топологических рисунков при контактном переносе изобра-
жения. При совмещении возможен прогиб плоскости контакта рабочий ФШ —
полупроводниковая пластина, одна из контактирующих поверхностей растяги-
вается, вторая сжимается. Прогиб подложки представлен на рис. 9.23. Разность
дуг Iab—Icd равна укорочению di вогнутой дуги подложки при величине про-
гиба h: S^Iab—/сг> = 2(/?+^1/2)ф—2/?<p=di<p.
Величина прогиба h — R—R cos <p. Разложим cos ср в ряд, получим /i«2<p2/2
или, учитывая, что /?=£)0/2ф, где Do— размер подложки, h—D^fA. И тогда
61 = Ad\hIDq.
Выпуклая дуга поверхности второй контактирующей подложки будет рас-
тягиваться на величину 62®4d2/i/Do, где d2 —толщина второй подложки.
Если расстояние между центрами знаков совмещения равно D, то измене-
ние этого расстояния на рабочей копии можно выразить как ДЛр=^(61-|-
+62)/£)р=4Р(^1+^2)й/ДД или когда di=d2=d, то
Величина ДПр соответствует уходу совмещаемости из-за прогиба подложек
при контактной печати. В табл. 9.5 приведены расчетные значения ДПр для раз-
ных типоразмеров ФШ при d=3 мм.
Рис. 9.23. Схематическое
изображение прогиба
плоской подложки
Рис. 9.24. Схема эксперимента для определения
влияния прогиба зоны контакта на уход совме-
щаемости:
1 — фоторезистивные пластины; 2 — эталонный ФШ;
3 — полоска из фольги; 4 — резиновые стягивающие
кольца
358
Таблица 9.5. Зависимость ухода совмещаемости на крайних модулях
рабочей копии ФШ от прогиба контактирующих поверхностей
Размер ФШ, мкм ДПр при прогибе, мкм
Рабочая зона Подложка 1 2,5 5 10
60 76 0,25 0,63 1,25 2,5
76 102 0,18 0,45 0,9 1,75
102 127 0,15 0,37 0,75 1,5
127 150 0,14 0,35 0,7 1,4
Контроль изменения расстояния между центрами знаков совмещения можно
осуществить посредством структуры, конструкция которой приведена на
рис. 9.24. Две пары эталонный ФШ — фоторезистивная подложка связывались
резиновыми кольцами. Между фоторезистивными подложками вставлялась по-
лоска металлической фольги, так что заданное значение прогиба для обеих пар
ФШ составляло половину толщины подложки. Такая связка экспонировалась
с двух сторон. Зависимость ДПр от прогиба определяется измерением расстоя-
ния D между знаками совмещения на эталонных ФШ и копиях. Расчетные и
экспериментальные данные ухода совмещаемости представлены на рис. 9.25.
При наличии зазора между эталонным ФШ и фоторезистивной (или фото-
эмульсионной) подложкой на рабочей копии граница проецируемого с эталон-
ного ФШ элемента сдвигается на расстояние 6з=£» tg р, где b — зазор; |3—угол
падения лучей (угол коллимации), проецирующих данную границу (рис. 9.26).
На крайних модулях элементы смещаются в противоположные стороны, что
эквивалентно уходу совмещаемости на Дз=М£ Pi + &ntg £п, где Ьп— вели-
чины зазора; и £п — углы падения лучей соответственно в области первого
и последнего модуля в измеряемой строке ФШ. Если принять, что зазоры и
углы коллимации лучей на крайних модулях одинаковы (bi = bn=b и Pi =
= Рп=Р), то изменение расстояния между центрами знаков совмещения выра-
зится соотношением A3=2btgp. Значения Д3 для некоторых величин b и 0
приведены в табл. 9.6. Уходом совмещаемости Д3 можно пренебречь при
Ь<4 мкм и р^4°.
Чтобы определить, какие зазоры возможны в зоне контакта эталонный
ФШ — фоторезистивная пластина, был топографически измерен рельеф рабочей
зоны фоторезистивных пластин на основе флоат-стекла, предназначенных для
Рис. 9.25. Зависимость ухода совме-
щаемости Дпр от прогиба зоны кон-
такта:
1 — расчет; 2 — эксперимент
Рис. 9.26. Схема проекции элемента
на рабочей копии при наличии за-
зора в зоне контакта
359
Таблица 9.6. Зависимость ухода совмещаемости на крайних модулях
рабочей копии ФШ от зазора и угла коллимации лучей осветителя (0)
Р, град Д3 при зазоре, мкм
1 2 5 10
2 0,07 0,14 0,35 0,7
4 0,14 0,28 0,7 1,4
6 0,21 0,42 1,05 2,1
8 0,28 0,56 1,4 2,8
10 0,36 0,72 1,8 3,6
изготовления эталонных и рабочих ФШ. Анализ интерференционных картин кон-
тактирующих пар эталонный ФШ — подложка в контактных рамках, имеющих
смотровое окно со стороны подложки, показал, что при любом избыточном
давлении в рабочей зоне остаются локальные зазоры 1...3 мкм, которые могут
стать причиной искажения размеров и локальной несовмещаемости по краям
рабочей зоны, где углы коллимации источника достигают наибольших значений.
Величины зазоров в зоне контакта рабочий ФШ — полупроводниковая пла-
стина значительно выше, чем при контакте эталонного и рабочего ФШ, из-за
большой неплоскостности полупроводниковых пластин, которая у кремниевых
достигает 20... 100 мкм.
При изготовлении двух рабочих ФШ с одного эталонного при разных
температурах уход совмещаемости рабочих копий относительно друг друга со-
ставит где Д/— разница температур, аЛ — коэффициент линейного рас-
ширения подложки (для флоат-стекла ап=9-10~6 K“r)’, L— расстояние между
центрами фигур совмещения на эталонном ФШ. При разнице температур 1 К
расстояние между крайними модулями L, которое на эталонном ФШ равно
75 мм, на рабочих копиях отличается на 0,68 мкм.
При контактном переносе изображения с рабочего ФШ на полупроводнико-
вую пластину отклонение размеров рисунка пропорционально Д/(ап—аПп),
где аЛп — коэффициент линейного расширения полупроводникового материала
(для кремния аЛп = 4,7-10~6 К-1).
Изменение расстояния между крайними модулями из-за температурных де-
формаций не должно превышать половины допуска на совмещаемость. Допусти-
мые колебания температуры при операциях контактного тиражирования ФШ
и контактной ФЛ на кремнии могут быть представлены значениями (табл. 9.7),
Таблица 9.7. Зависимость допустимых колебаний температуры от диаметра
рабочей зоны изображения L и допуска на совмещаемость
Операция £, мкм Д/ при допуске на совмещаемость, мкм
0.4 0,6 0,8 1 1,5
Контактное тиражиро- вание рабочих ФШ Контактная ФЛ на Si 60 ±0,4 ±0,6 ±0,7 ±0,9 ±1,4 76 ±0,3 ±0,4 ±0,6 ±0,7 ±1,1 102 ±0,2 ±0,3 ±0,4 ±0,5 ±0,7 127 ±0,2 ±0,3 ±0,4 ±0,5 ±0,7 60 ±0,8 ±1,2 ±1,5 ±2,0 ±2,9 76 ±0,6 ±0,9 ±1,2 ±1,5 ±2,3 102 ±0,5 ±0,7 ±0,9 ±1,2 ±1,7 127 ±0,4 ±0,6 ±0,8 ±0,9 ±1,4
360
Рис. 9.27. Кинетика нагрева под-
ложки ФШ:
1 — нагрев от руки в положении плаш-
мя на ладони; 2 — при обхвате пальцами
за торцы; 3 — контактный нагрев на
установке ЭМ-523; 4 — нагрев на опера-
ции совмещения с кремниевой пластиной
и экспонирования (минутные циклы)
которые определяются по формулам: Д/=О,5До/£ап; Д/=0,5До/1(ап—а™),
где До — допуск на совмещаемость; L — диаметр рабочей зоны изображения.
Зависимости температуры хромированной подложки размером 76x76X3 мм
в условиях, имитирующих реальные технологические процессы, приведены на
рис. 9.27.
При выставлении, совмещении и экспонировании происходит дополнительный
нагрев ФШ. Все операции переноса изображения проводятся при температурах
выше комнатной. По истечении определенного времени (5... 10 мин) устанавли-
вается температура, характерная для конкретного технологического процесса.
В ряде случаев (например, при непосредственном контакте ФШ с метал-
лической поверхностью прогретой установки экспонирования или при контакте
с ладонью оператора) дополнительный нагрев может достигать 10 К. Следова-
тельно, для снижения температурных составляющих несовмещаемости необходи-
мо уменьшить контактный и радиационный нагрев.
Уход совмещаемости рабочих копий ФШ, изготовленных с одних и тех же
эталонных ФШ на различных контактных рамках, составляет 1...2,5 мкм
(рис. 9.28). Основные причины этого — прогиб зоны контакта (рис. 9.28, а),
неплоскопараллельность движения приведения в контакт (рис. 9.28,6), неравно-
мерный прижим и контактный нагрев (рис. 9.28, а — в). Лучшие результаты до-
стигнуты на одно- и трехкамерных установках с прижимом стекла к эластичной
прокладке (рис. 9.28, г, д). Однокамерные рамки обеспечивают изготовление ра-
бочих копий с уходом совмещаемости в пределах ошибки контрольных средств.
Рис. 9.28. Конструктивные
схемы контактных рамок
установок тиражирования
ФШ с механическим при-
жимом (а), жестким ва-
куумным прижимом стекла
к металлу (б), комбиниро-
ванным прижимом эталон-
ного ФШ к металлу под-
ложки и к эластичной мем-
бране (в), однокамерной
рамки с мягким прижимом
(г) и трехкамерной рамки
с мягким прижимом (д):
1 — эталонный ФШ; 2 — под-
ложка; 3 — эластичная проклад-
ка; 4— эластичная мембрана;
5 — кварцевое окно; В, Вь В2,
В3 — вакуумные камеры
361
Рис. 9.29. Зависимость ухода совмещаемости
на рабочих ФШ, изготовленных на трехка-
мерной рамке, от начального зазора:
1 — по координате X; 2 — К; 3 — угловой разворот
Трехкамерные установки обеспечивают мини-
мальную несовмещаемость при установлении
определенной величины первоначального зазо-
ра I между эталонным ФШ и подложкой до
подключения средней камеры в вакуумной си-
стеме. На рис. 9.29 приведена зависимость ухо-
да совмещаемости рабочих копий ФШ, изго-
товленных при разных значениях /. Сущест-
вует узкая область зазора, обеспечивающая
минимальный уход совмещаемости рабочих
ФШ. Уменьшение несовмещаемости трехкамерных рамок обеспечивается систе-
мой с плавной установкой требуемого зазора. Одним из основных путей устра-
нения этого весьма существенного недостатка является уменьшение длины вол-
ны излучения до 180...200 нм, что позволяет уменьшить дифракцию и осу-
ществить экспонирование при слабом прижиме и больших зазорах.
Совмещаемость рабочих ФШ зависит от плоскостных подложек, на которых
они изготовлены. На рис. 9.30 показана деформация на рабочих копиях перене-
сенного с эталонного ФШ квадрата 52x52 мм, который образован центрами
фигур совмещения; 6Х и — отклонения расстояний между центрами соответ-
ствующих противоположных знаков совмещения на рабочем ФШ по сравнению
с эталонным ФШ. Рабочие копии были изготовлены на подложках разной не-
плоскостности на установке с контактными рамками (рис. 9.28, б). Зависимость
деформации рисунка эталонного ФШ на рабочих копиях от неплоскостности
подложки проявляется сильнее на установках, не обеспечивающих совмещае-
мости рабочего ФШ (рис. 9.28,а — в). На установках с контактными рамками,
представленными на рис. 9.28, г, эта зависимость проявляется нечетко.
При контактном методе экспонирования часто происходит повреждение
пленки ФР. Эти дефекты уменьшаются при использовании рельефной конструк-
ции ФШ, исключающей непосредственный контакт маскирующего слоя ФШ с
ФР (рис. 9.31).
Для изготовления рельефного ФШ рельеф в стеклянной заготовке можно
создать ионно-химическим лучевым травлением стекла либо жидкостным хими-
ческим травлением, обеспечивающим глубину рельефа 0,4 и 1,5 мкм соответст-
венно. Для рельефных ФШ с глубиной рельефа 0,4 мкм налипание ФР снижа-
ется на 30%, а для ФШ с глубиной рельефа 1,5 мкм налипание ФР отсутствует.
Зталон
Рис. 9.30. Картина деформации ри-
сунка эталонного ФШ на рабочих
копиях ФШ, изготовленных на под-
ложках с различной неплоскост-
нсстью, мкм: 2(a), 5(6), 7(e)
УФ
Стекло
Маскирующее
покрытие
Фоторезист
Рис. 9.31. Принцип работы рельеф-
ного ФШ
Кремниевая
пластина
362
Современная оптическая контактная литография обеспечивает при доста-
точно хороших экономических показателях формирование изображений на по-
лях 100X100 мм с площадью отдельных микроизображений до 30...40 мм-2,
минимальными размерами элементов 2 мкм, допуском на размеры ±0,5 мкм,
совмещаемостью 0,8... 1 мкм. Совершенствование метода контактной печати свя-
зано с уменьшением длины волны излучения вплоть до вакуумного УФ-излуче-
ния и применением мягкого рентгеновского излучения с Х~1 нм.
Проекционный метод. Для экспонирования в ФЛ используют проекционный
метод переноса изображений путем одновременной передачи изображения ФШ
на всю технологическую площадь; поэлементное (шаговое) экспонирование
изображения с уменьшением или без уменьшения одного и того же элемента
или разных типовых элементов по всей площади; вычерчивание изображения
непосредственно на покрытой ФР технологической площади тонким ультрафио-
летовым лучом, управляемым от ЭВМ.
Проекционные системы по принципу формирования изображения могут быть
разделены на системы, одновременно формирующие изображение на всем поле;
сканирующие системы (последовательное экспонирование).
Проекционные системы, формирующие изображение на всем поле, могут
обеспечить высококачественное изображение только при наличии плоской под-
ложки со светочувствительной пленкой (неплоскостность не должна превышать
единиц микрометра по всей поверхности), а поэтому применяются ограниченно
при формировании различных изображений на плоских стеклянных подложках,
в частности для фотошаблонов ИС.
В проекционных сканирующих системах получение микроизображений осу-
ществляется путем последовательного формирования изображения, построения
его по частям некоторым ограниченным полем, что обеспечивает более высокую
разрешающую способность и соответствующую каждому участку экспонирования
фокусировку изображения. Формирование изображения этими методами может
осуществляться без изменения масштаба (V=l) и с некоторым уменьшением.
Наибольшее распространение получили масштабы 1:4; 1:5; 1 : 10; 1 : 15.
Сканирование изображения может вестись непрерывно, без остановок и в
прерывистом режиме, когда в момент экспонирования никаких перемещений
компонентов оптической системы не происходит. Сканирование может проводить-
ся как по одной координате, т. е. с разверткой только в одном направлении
щелью или полосой, равной поперечному размеру поля изображения, так и по
двум координатам.
Наибольшее распространение получил стартстопный метод со сканировани-
ем по двум координатам, широко применявшийся для мультипликации при
изготовлении эталонных ФШ, а в настоящее время являющийся одним из наи-
более прогрессивных методов формирования микроизображения непосредственно
на подложке. Метод заключается в последовательном экспонировании отдель-
ных полей изображения, соответствующих ИС (модулям), причем операция
мультипликации изображений по всему полю проводится с использованием
объекта, увеличенного в 5...15 раз (оптимальный масштаб 10: 1), что позволяет
повысить точность формирования изображения (рис. 9.32).
Используют стартстопный проекционный метод с перемещением по одной
координате и масштабом изображения 1 : 1 (рис. 9.33). Здесь объект представ-
ляет собой не отдельное увеличенное изображение интегральной схемы, как в
предыдущем случае, а ее предварительно мультиплицированное и приведенное
к масштабу 1 : 1 изображение. Перемещаться могут либо объектив между не-
подвижно размещенными относительно друг друга предметом и подложкой с
изображением, либо предмет и подложка с изображением при неподвижном
объективе. При наличии кривизны подложек необходима фокусировка, разре-
шающая способность метода не менее 2 мкм.
Для устранения ограничений, накладываемых кривизной пластин, использу-
ют системы для проекционного шагового переноса изображения в масштабе 1 : 1
с разверткой по двум координатам (рис. 9.34). Недостатком их является изго-
товление предварительно мультиплицированного объекта (эталонного ФШ), сни-
жающего точность совмещения изображений различных слоев.
При непрерывном сканировании применяют метод однокоординатного ска-
нирования — по одной координате частью кольцевого поля изображения в мас-
363
Рис. 9.32. Схема проекционного ша-
гового экспонирования с одновре-
менным уменьшением и мультипли-
кацией по двум координатам:
1 — объект ФШ; 2 — объектив; 3 — пло-
скость изображения; 4 — двухкоординат-
ный стол
Рис. 9.33. Схема проекционного ша-
гового экспонирования в масштабе
1:1с разверткой по одной коорди-
нате:
/ — объект ЭФШ; 2 — объектив; 3 — одно-
координатный стол; 4 — элементарное по-
ле экспонирования
Рис. 9.34. Схема проекционного ша-
гового экспонирования в масштабе
1:1 с разверткой по двум коорди-
натам:
1 — объект ЭФШ; 2 — объектив; 3 — двух-
координатный стол
Рис. 9.35. Принципиальная схема
однокоординатного непрерывного ска-
нирования кольцевым полем:
1 — кольцевая зона; 2, 3 — концентричные
зеркала объектива; 4 — объект ЭФШ;
5 — изображение объекта
364
Рис. 9.36. Оптическая схема системы
проекционной фотолитографии с ис-
пользованием метода сканирующего
переноса изображения в масшта-
бе 1 : 1
1 — объект; 2,3 — зеркальные объективы;
4 — зеркальная оборачивающая система;
5 — изображение; 6 — растровая освети-
тельная система
штабе 1:1. Схема метода представлена на рис. 9.35.
В методе используется зеркальный объектив с V= — 1,
состоящий из двух концентрических сферических от-
ражающих поверхностей 2, 3. В связи с трудностью
обеспечения высокого качества изображения одновре-
менно по всему полю система рассчитывается таким
образом, что аберрации наилучших образом скоррек-
тированы для некоторой кольцевой зоны поля изо-
бражения 1. Сканируя частью этой кольцевой зоны,
имеющей размер, равный ширине поля изображения,
последовательно по всему полю и объекту, обеспечи-
вают высокую разрешающую способность по полю, рав-
ному произведению размера кольцевой щели Zj на зна-
чение согласованного перемещения объекта и изображе-
ния /2. При использовании этого принципа и оптической
системы с V=—1 объект 5 и изображение 4 будут
двигаться с одинаковой скоростью, но в противополож-
ных направлениях,. Для устранения этого неудобства
в схему необходимо ввести поворотную оптическую
систему, например призму или зеркало (рис. 9.36).
Достоинствами рассматриваемых систем являются:
отсутствие хроматических аберраций, а следовательно
высокое качество изображения и возможность использовать свет с различной
длиной волны, включая короткий ультрафиолетовый диапазон с 200...300 нм,
где создание линзовых систем затруднено из-за отсутствия необходимых сте-
кол; меньшее рассеяние света, что является одним из определяющих факторов,
влияющих на качество изображения современных оптических систем для ФЛ.
Такие системы позволяют получать размеры элементов до 2 мкм на полях по-
рядка 100X100 мм при искажениях (дисторсии) ±0,25 мкм, а при переходе на
более коротковолновое излучение с К=200...250 нм разрешение подобных систем
может быть увеличено до 1 мкм.
На качество изображения при проекционном методе формирования микро-
изображений влияют характеристики: источника излучения (спектральный со-
став, длительность импульса, апертура, степень когерентности), осветительной
системы (равномерность освещенности, степень и форма заполнения зрачка),
объекта (размеры, взаиморасположение, форма элементов, контраст), объекти-
ва (аберрации, апертура, ОПФ, ЧКХ, светорассеяние), светочувствительного
материала (спектральная чувствительность, толщина и ее равномерность, раз-
решающая способность, коэффициент отражения пленки, вид и форма харак-
теристической кривой, контраст, пороговые свойства), среды и условий работы
системы (температурные условия, турбулентность среды, вибрации и т. д.). Эти
факторы необходимо учитывать при оценке возможностей метода, разработке
оборудования и технологических процессов.
Проверка установок проекционной ФЛ с помощью ФШ. Измерение погреш-
ностей современных фотоповторителей и мультипликаторов осложняется тем,
что допустимые погрешности превышают точность средств линейных измерений.
Для формирования и совмещения топологических рисунков с размерами
1...2 мкм допустимые погрешности не должны превышать 0,1...0,2 мкм. Это
означает, что погрешность измерительных средств для аттестации фотоповтори-
телей и мультипликаторов должна быть не более 0,01...0,03 мкм на поле
размером 100X100 мм.
365
Рис. 9.37. Промежуточный ФШ:
1 — основная шкала; 2 — нониусная шкала
Рис. 9.38. Изображение отпечатков
ФШ в слое ФР на подложке и уве-
личенное совмещенное изображение
двух шкал в поле зрения окуляра
Для определения погрешностей
установок совмещения и мультипли-
кации используют специальный про-
межуточный металлизированный фо-
тошаблон (ПФШ) с нониусными и
основными шкалами (рис. 9.37). По
точности изготовления к ПФШ
предъявляются требования: отклоне-
ние координат расположения основных и нониусных шкал от номинальных
значений должно быть не более 1 мкм; погрешность изготовления шкал — не
более 0,5 мкм; погрешность ширины элементов шкал — не более 0,3...0,5 мкм.
Метрологическую аттестацию ПФШ выполняют на специальных двухкоор-
динатных измерительных установках и компараторах для измерения шкал. При
измерении координат используют высокоразрешающие системы типа лазерного
интерферометра по схеме Майкельсона и специального измерительного фото-
электрического микроскопа. Погрешность указанных систем не превышает
0,1 мкм. При измерении ширины элементов шкал можно использовать фотомет-
рирующие измерительные устройства с погрешностью не более 0,1 мкм.
Применение такого ПФШ позволит выявить следующие составляющие по-
грешности установок совмещения и мультипликации: погрешности масштаба
датчиков линейных перемещений и проекционной системы, шага мультиплика-
ции, разворотов осей мультипликации, совмещения и базирования ПФШ, а
также погрешности вследствие искажений, внесенных проекционной системой
(дисторсия, трапецеидальность). Расчет этих погрешностей с помощью ПФШ
может быть выполнен с ошибкой не хуже 0,1 мкм.
Определение разворота осей мультипликации и трапецеидальных искаже-
ний проекционной системы показано на рис. 9.38. В установке мультипликации
и совмещения с помощью этого ПФШ на подложке формируется изображе-
ние А. Затем подложке задается перемещение по координатам х или у и
формируются повторно изображения Б и В. Координатные перемещения по
ортогональной координате отсутствуют. После проявления подложки можно
обычным микроскопом определить смещение основной и нониусной шкал и,
следовательно, величину искомой погрешности.
Ограничения ФЛ по разрешающей способности. Разрешающая способность
/? и ширина линий L связаны между собой соотношением =1000/21. Под
шириной линии L и разрешающей способностью /? следует понимать значения,
которые могут быть получены на проявленном ФР.
366
Подготовка
поверхности
хранение
пластин
Нанесение
ФР
Сушка фр
Хранение
пластин
Контроль качес-
тва партии
Дубление
ФР
хранение
пластин
Рис. 9.39. Технологический процесс ФЛ:
1 — температура; 2 — время; 3 — химический состав среды, раствора; 4 — количество
пылинок в 1 м3; 5 — вязкость; 6 — число оборотов; 7 — масса подаваемого вещества, г;
8 — интегральная освещенность; 9 — равномерность освещенности; 10 — зазор; //•—осве-
щаемость; 12 — адгезия; 13 — размер объекта; 14 — число локальных дефектов; /5 — число
регенераций, причины; 16 — представительство от партии, однородность партии
Предельная разрешающая способность ФЛ определяется дифракционным
критерием Рэлея, и соответствующая ей минимальная ширина линии ДЛин =
= 0,61X/n sin а/2, где а — апертурный угол выхода; п — показатель преломле-
ния света среды; X — длина волны экспонирующего света.
Поскольку в реальных случаях п~\, а=0,95 и Х=0,4 мкм, то АЛин=
= 0,25 мкм. Предельная разрешающая способность оптической ФЛ (контакт-
ной и проекционной) составляет 0,25 мкм.
Качество процесса ФЛ. В технологическом процессе изготовления микро-
схем ФЛ составляет 50% всей трудоемкости производства. Практически после
каждого блока операций (окисления, диффузии, эпитаксии, напыления) произ-
водится ФЛ. Наиболее существенными параметрами, несущими информацию
о качестве процесса ФЛ (около 54 параметров), являются: внешний вид фото-
резистивной маски после проявления, уход размера от заданного и число
дефектных модулей.
Цепочка операций ФЛ и параметры, влияющие на процесс, представлены
на рис. 9.39. Оценку качества проведения процесса ФЛ, а также его регули-
рования можно осуществить по обобщающим параметрам: толщине нанесенной
фоторезистивной маски; числу регенераций фоторезистивного рисунка (с учетом
анализа причин); уходу линейных размеров определенных фигур, вытравленных
на пластине; числе модулей, имеющих локальные дефекты. По этим основным
параметрам можно произвести оценку стабильности работы участка в целом:
кс— [1— (Юлб+2р+ЮПо+Л)/ЮО], где кс — коэффициент стабильности работы
участка; — число отклонений по толщине ФР при нанесении; р — число ре-
генераций; п0 — число отклонений по линейным размерам после травления; Л —
число дефектных модулей при контроле по внешнему виду.
Коэффициент кс участка ФЛ связан с процентом выхода годных микро-
схем при контроле пластин на функционирование. На рис. 9.40 показана зави-
симость процента выхода годных микросхем (в условных единицах) от изме-
нения стабильности работы участка ФЛ. Считается, что остальные процессы
изготовления микросхемы остаются неизменными.
Контрольной операцией фотолитографического процесса является проверка
качества выполнения рисунка по фоторезистивной маске. Если геометрия эле-
367
Рис. 9.40. Зависимость выхода годных ИС от
коэффициента стабильности работы участка ФЛ
ментов не соответствует требованиям технологи-
ческой документации, то пластины возвращаются
на регенерацию, т. е. происходит восстановление
по определенному маршруту. Контроль качества
фоторезистивной маски позволяет пропускать на
последующие операции только ту продукцию, на
которой с определенной достоверностью можно
провести качественное травление диэлектрика или
металла, т. е. провести необратимые процессы.
Регенерация фоторезистивной маски возни-
кает из-за различных причин: неправильное по
толщине или плохое по качеству (пятна, трещи-
ны) нанесение ФР, плохое проведение процесса
экспонирования или проявления фоторезистивной
маски и т. д. Число регенераций является одним
из важных показателей, способствующих регулированию технологического про-
цесса. При контроле в большинстве случаев устанавливают причину регенерации
однозначно, а в ряде случаев это возможно при статистической обработке. Напри-
мер, «сползание» резистивной пленки с пластин у нескольких партий, на которые
наносили резист на одной и той же установке или которые проходили одну
и ту же термическую обработку (окисление после диффузии фосфора). В пер-
вом случае определяется дефект работы установки нанесения, в другом — ошиб-
ки при термических обработках, приведшие к ухудшению поверхностных свойств
пластин. Выяснение причин регенерации позволяет установить качество работы
установки. Так, определение разъюстировки установок совмещения по нека-
чественному совмещению пластин с ФШ или появлению «вуали» на пластинах,
проходящих на одной и той же установке совмещения, указывает на непра-
вильный подбор режима работы (интегральная освещенность), а появление
«вуали» на фоторезистивной маске с разных установок указывает на дефект
при проявлении пленки. Таким образом, учет причин, приведших к регенерации,
а также их статистическая обработка позволяют проводить своевременное ре-
гулирование технологического процесса формирования рисунка на ФР.
Уход размера на фоторезистивной маске, ее дефектность в немалой степе-
ни зависят от толщины и качества нанесения ФР на пластину. Определение
такого параметра, как толщина ФР, может проводиться оперативно, практи-
чески без разрушения и остановки процесса. Это позволяет оценить качество
работы установок по нанесению ФР и несколько сузить круг поиска причин
регенерации. Толщина ФР является обобщенным параметром и в совокупности
со статистической обработкой причин регенерации позволяет однозначно опре-
делить факторы, влияющие на формирование фоторезистивной маски на пла-
стинах.
После формирования рисунка на ФР производится травление пластин и
снятие ФР, чем практически заканчивается процесс ФЛ. Затем выполняется
измерение размеров определенных вытравленных фигур по пластине — «изме-
рение критичных размеров». Если по результатам контроля предыдущих пара-
метров известно, что процесс проходил без отклонений, то измерение критичных
размеров практически определяет только качество локального травления ди-
электрика или металла на пластине. Брак по этому параметру, как правило,
является окончательным и пластины не могут быть восстановлены. С другой
стороны, этот параметр несет информацию о качестве прохождения всего про-
цесса ФЛ, и его статистическая оперативная обработка позволяет также воз-
действовать на собственно процесс ФЛ. Так, при условии нормального форми-
рования фоторезистивного рисунка на одном и том же изделии и одном и том
же слое ФР получение, например, уменьшенных критичных размеров указывает
на то, что либо есть отклонения во второй термической обработке ФР, либо
неправильно воспроизведены размеры на ФШ. Дополнительный контроль этих
параметров позволяет выявить и локализовать причину брака.
368
Другим важным параметром, определяющим качество проведения процесса
ФЛ, является определение числа локальных дефектов в модуле на пластине.
Достоверность визуального контроля целиком зависит от опыта оператора. На-
личие локальных дефектов на пластине может быть вызвано различными при-
чинами: качеством формирования фоторезистивного рисунка, травлением пла-
стин, несоблюдением вакуумной гигиены и культуры производства на участке.
Распределение по видам дефектов, статистическая обработка по количеству
забракованных модулей могут выявить отклонения не только в технологическом
процессе самой ФЛ, но и в комплектующих изделиях (качество ФР, ФШ
и т. п.), а также в предыдущих процессах (качество окисления, эпитаксии, на-
пыления и даже межоперационного хранения). Локальные нарушения с опре-
деленной конфигурацией указывают на повышенную запыленность на участке
или длительное и неправильное хранение пластин до ФЛ и т. п.
9.5. Электронно-лучевая литография
Метод электронолитографии характеризуется высокой разрешающей способ-
ностью. Эффекты дифракции, ограничивающие разрешающую способность в
оптическом и субоптическом диапазонах и связанные с большой длиной волны
экспонирующего излучения (Х=350...400 нм), в электронно-лучевой литографии
(ЭЛЛ) пренебрежимо малы. Практические возможности ЭЛЛ оцениваются
размерами элементов микросхем 0,2...0,3 мкм. Другим преимуществом ЭЛЛ
является большая глубина резкости передаваемого изображения. Поэтому прак-
тически не происходит искажения рисунка микросхемы при увеличении глубины
рельефа многослойных структур и неплоскостности поверхности пластины. При-
менение ЭВМ для непосредственного управления электронным лучом (ЭЛ)
позволяет легко перестраивать и корректировать программу экспонирования.
Существуют три основные области применения ЭЛЛ: в технологии произ-
водства эталонных ФШ и промежуточных фотооригиналов (ПФО) с размерами
элементов более 2 мкм; при изготовлении БИС с размерами элементов менее
1 мкм путем непосредственной микрогравировки кремния; в производстве вы-
сокоточных ФШ для рентгено- и фотолитографии глубокого ультрафиолета.
Процесс ЭЛЛ показан на рис. 9.41. В основе метода лежит воздействие
управляющего остросфокусированного ЭЛ на резист. Электроны локально либо
разрушают его, либо сшивают молекулы, изменяя его свойства. В процессе
проявления селективно удаляется экспонированная (позитивный резист) или
неэкспонированная (негативный резист) часть. Сформированный из резиста
рельеф (топологический рисунок) и является маской для различных технологи-
ческих воздействий. Окна в пленке резиста могут быть использованы для трав-
ления подложки ионным пучком или в плазме, а также для селективного ион-
ного внедрения примеси в подложку. Процесс создания металлических линий
с помощью позитивного или негативного резиста более детально показан на
рис. 9.42.
Структурная схема электронно-лучевой установки (ЭЛУ) представлена на
рис. 9.43. В ее состав входят четыре основные подсистемы: средства ввода
данных — обычно накопитель на магнитном диске или ленте, а также алфавит-
но-цифровое печатающее устройство и ЭВМ, управляющая генератором топо-
логического рисунка и другими основными блоками установки;
блоки, передающие команды ЭВМ электронному лучу и контролирующие
процесс формирования топологии;
электронно-оптическая колонна; вспомогательные системы электронно-опти-
ческой колонны, включающие вакуумные насосы, источники питания и т. д.
Электронорезисты. Они представляют собой композиции электронно-чувст-
вительных полимеров в органических растворителях. Требования к электроно-
резистам: высокая чувствительность к экспонирующим электронам
(1...5) • 10~6 Кл/см2; высокая разрешающая способность (возможность воспро-
изведения элементов ИС размером до 0,2...0,3 мкм); низкая микродефектность
пленки резиста (до 0,1 см~2); хорошая адгезия к полупроводниковым материа-
лам; высокая термическая, плазмохимическая и химическая стойкость в процес-
сах, связанных с микрогравировкой полупроводниковых слоев.
24 Заказ № 1270 359
Электронная
пушка
Напыление Напыление
металла металла
Позитивный резист
Резист
ЗЛ экспо-
нирование
Г§~1
Маска
Подложка
ЗЛ экспо-
нирование
Резист
Негативный резист
В
УШ
б)
маска
Рис. 9.41. Последовательность операций ЭЛЛ:
а — экспонирование; б — варианты использования маски из резиста для создания рисун-
ков и ионно-легированных областей
370
Позитивный резист
Рис. 9.42. Электронно-лучевое экспонирование позитивного и негативного рези-
стов для формирования линий металлизации
Характеристики электронорезистов и методы их опре-
деления. Чувствительность электронорезиста может быть определена по ха-
рактеристической кривой (рис. 9.44). За чувствительность позитивного резиста
принимается доза Do, при которой облученные участки проявляются на полную
глубину слоя, а на неэкспонированных участках сохраняется более 90% исход-
ной толщины пленки. Чувствительность негативного резиста обычно определя-
ется дозой Do,5, при которой на экспонированных участках остается около
половины исходной толщины пленки.
Важной характеристикой электронорезиста является его контраст Г, опре-
деляемый как тангенс угла наклона характеристической кривой к оси абсцисс:
Г= [lg(D0/Di)]“1, где Di—точка, соответствующая началу проявления пози-
тивного резиста или началу формирования нерастворимой сшитой пленки для
негативного резиста.
Разрешающая способность резиста может измеряться двумя способами: по
числу пар линий проявленного изображения на единицу длины (линия/мм) и
по наименьшей ширине отдельной изолированной линии (мкм). Определение раз-
решающей способности по первому способу приводит к искажению истинной
разрешающей способности резиста из-за эффекта близости соседних линий. Это
связано с причинами, по большей части не зависящими от резиста (энергия
электронов, материал подложки и т. д.). Второй метод в большей степени
отражает свойства резиста, хотя и в этом случае существуют эффекты, иска-
жающие этот параметр. Между диаметром пучка экспонирующих электронов
и шириной воспроизводимой в резисте линии существует определенная взаимо-
связь. Зависимость чувствительности и разрешающей способности от энергии
электронов для некоторых резистов приведена на рис. 9.45 и 9.46.
При определении микродефектности для электронорезистов используются
те же методики контроля, что и для ФР.
Плазмостойкость электронорезистов наиболее достоверно может быть оце-
нена по соотношению скоростей травления резиста и подложки в заданном
технологическом режиме.
Свойства полимеров и характеристики электроноре-
зистов. Под действием излучений высоких энергий (электронов) полимерная
основа позитивного резиста подвергается деструкции, а негативного — межмо-
лекулярной сшивке. Деструктированные участки позитивного резиста имеют
повышенную растворимость в проявителе по сравнению с неэкспонированными,
а у негативных резистов — наоборот.
К основным параметрам электронорезистов относятся: чувствительность
электронорезиста, минимальная доза радиации, необходимая для получения
24* 371
КЗ
6-
^Устройство 6бода
иобработки данных
Тактовый
генератор
сканирования
—*• Г е не ротор
топологическо-
— го рисунка
Автомати-
ческое
совмещение
вку
J
Дисплей
Контроль
перемещения
рабочего
столико
1
контроль
размеров
рабочего
поля
1
X- Обработка
видеосигнала
I Генератор
L— растрового
сканирования
Смещение
рабочего
поля
6лакирова-
ние лича
аналоговые цепи
цифровые цепи
Контроль углового
разворота и
ортогональности-----*-
осей
Управление
током линз "
Динамичес-
кая фокуси-
ровка
усилитель
отклонения
- Детектор
цифровые и аналоговые устройства управления лучом
Рис. 9.43. Структурная схема ЭЛУ
Источник
высокого
напряжения
Юстировоч-
ные обмотки
пушки
Вакуумная
система
клапан
вакуум-
ная
система
* Вспомогательные
системы электрон-
nb - оптической
колонны
Рис. 9.44. Характеристические кривые для позитивного (а) и негативного (б)
электронорезисторов
Ускоряющее напряжение, кВ
Рис. 9.45. Зависимость чувствитель-
ности позитивных электронорезистов
от ускоряющего напряжения в ус-
тановке экспонирования
Ускоряющее напряжение, кВ
Рис. 9.46. Зависимость разрешающей
способности электронорезистов от
ускоряющего напряжения
определенной толщины резиста, оставшейся после проявления, которая, в свою
очередь, зависит от соотношения скоростей растворения_ Sr^ экспонированных
5* и неэкспонированных S участков; Sr=S/S*=m^/M^)'1 s , где
М®* — среднемассовые молекулярной массы необлученного и облученного участ-
ков полимера; as — параметр проявителя.
Для позитивных резистов SR не более 1 : 10, для негативных — около 2:1.
Важной физико-химической характеристикой полимера является темпера-
тура стеклования Тё. Резисты с низким значением Tg могут быть подвержены
явлению хладотекучести, т. е. искажению контуров проявленного изображения,
они не стойки в высокотемпературных процессах и имеют повышенную микро-
дефектность, вызванную растворением при проявлении низкомолекулярных фрак-
ций на участках, не подлежащих растворению.
Позитивные э л етр оноре з и ст ы. Основным классом позитивных
электронорезистов являются полимеры — производные полиметилметакрилата
(РММА) общей формулы
R,
— (сн> — с ------------
373
где Ri и /?2 — алифатические либо ароматические заместители (для РММА
/?1 = СН3, /?2=СООСНз). Электронный РММА обладает высокой разрешающей
способностью и прекрасными пленкообразующими и маскирующими свойствами.
Однако чувствительность его недостаточно высока. Причина низкой чувствитель-
ности— небольшой радиационно-химический выход деструкции Gs= 1,3...1,7.
Замещая а-метильную группу /?! или эфирную группу /?2 можно модифи-
цировать РММА и повысить значение Gs. При этом в ряде случаев чувстви-
тельность электронорезистов возрастает почти на порядок (табл. 9.8), но ухуд-
шаются другие его параметры — разрешающая способность и термостойкость.
Повысить чувствительность РММА удалось благодаря увеличению поглощенной
энергии облучения, которое наблюдается при введении в состав полимера ато-
мов тяжелых металлов.
Особую группу производных РММА составляют позитивные резисты,
имеющие в своем составе структурные единицы, способные к сшиванию, ко-
торые при термообработке пленки образуют более или менее прочные меж-
молекулярные связи, противостоящие действию проявителя. При экспонирова-
нии таких резистов происходит деструкция как основной цепи полимера, так
и образованных при термообработке связей, и резист на облученных участках
снова становится растворимым. Достоинством данных резистов является более
высокая устойчивость к высокотемпературным процессам.
К позитивным электронорезистам относятся полиолефинсульфоны — сополи-
меры диоксида серы с олефинами общей формулы
R,
— (сн2 — с — so2)„
R2
где /?i = —Н или —СН3; R2 — алифатический или ароматический заместитель.
Полимеры данного класса характеризуются экстремально высоким для позитив-
ных материалов радиационно-химическим выходом деструкции (10... 12), кото-
рый В несколько раз выше, чем для производных РММА. По чувствительности
алифатические полисульфоны более чем на порядок превосходят РММА.
Негативные электронорезисты. Они более чувствительны, чем
позитивные, хотя обладают меньшей разрешающей способностью (табл. 9.9).
В качестве негативных электроночувствительных материалов применяют сопо-
лимеры глицидилметакрилата (ГМА) с соединениями винилового и акрилового
рядов, радиационно-химический выход Gx которых в 30.. 100 раз выше, чем
значение G8 у полимеров позитивного типа.
При введении в полимеры радиационно-стойких сомономеров, таких как
стирол, фенилакрилат и другие, удалось повысить термическую и плазмохимиче-
скую устойчивость негативных резистов, но чувствительность несколько сни-
зилась.
К классу негативных электронорезистов относят сополимеры и различные
производные бутадиена и изопрена. По чувствительности они не уступают сопо-
лимерам ГМА, но по контрасту и разрешающей способности значительно хуже.
Хорошо известны негативные электронорезисты на основе кремнийоргани-
ческих соединений, а также сополимеров сложного строения с разветвленными
боковыми цепями, содержащими винильные и эпоксидные группировки.
Применение электронорезистов. В технологии изготовления
прецизионных ФШ методом ЭЛЛ широко используются позитивный электроно-
резист PBS и негативный СОР. Высокая чувствительность этих резистов делает
процесс достаточно производительным и экономически выгодным. Разрешаю-
щая способность СОР и PBS позволяет воспроизводить на шаблоне элементы
с размерами до 1,5...2 мкм.
Внедрению PBS в технологию непосредственно изготовления кремниевых ИС
препятствует его слабая плазмостойкость. Однако путем тщательного подбора
374
Таблица 9.8. Характеристики позитивных электронорезистов
Электронорезист Чувствитель- ность, К л см2 Ускоряющее । напряжение, кВ Толщина, оставшаяся после прояв- ления пленки, % Разрешаю- щая способ- ность, мм Характеристики полимеров
.10~2 гг,к
РММА 5-Ю"4 10 100 0,2...0,3 — 378 1,3
Сополимер ме- тилметакрилата (ММА) с изобути- леном 4-IO"5 15 80 1,25 116 320 5,4
Полиметилизопро- пенилкетон 2-10-’ 5 80 0,8 — — —
Сополимер ММА с метилизопропенил- кетоном 7-10-’ 5 85 0,6 — — —
Полигексафторбу- тилметакрилат (FBM) 4-Ю-7 20 — — — 50 —
Полиметакрило- нитрил (PMAN) 2- 10-в 10 373 1 1330 380 3,3
Сополимер с ме- тил-а-цианокрила- том 8-Ю-6 25 65 — 568 — —
Сополимер а-циа- ноэтилакрилата с а-амидоэтилакри- латом (FMRE-101) 2-10-6 20 75 0,5 150 398 —
Полиметил-а- хлоракрилат (РМСА) 5-Ю-6 10 90 0,5 125 — 5,8
Сополимер ММА с метакриловой кис- лотой — сополимер ММА с хлор ангид- ридом метакрило- вой кислоты 1-Ю-5 10 90
Сополимер ММА с метакриловой кис- лотой 1-10-5 20 100 0,3 — 403 —
Сополимер ММА с солью РЬ мета- криловой кислоты 3-Ю-5 20 100 0,5 200 433 —
Полнбутенсульфон (PBS) 8-Ю"7... ...1-Ю-5 5 100 0,8 1000 — 12
Полистиролсуль- фон (PSS) IO"5 5 100 — — До 523 —
ЭРП-1 5-Ю"5 10 100 0,5 — — —
ЭРП-4 5-Ю"6 10 100 1 — — —
ЭРП-7 1-Ю-6 10 100 1 — — т~
575
Таблица 9.9. Характеристики негативных электронорезистов
Электронорезист Чувствитель- ность, Кл/см2 I Ускоряющее напряжение» кВ Толщина, оставшаяся после прояв- ления пленки, % Контраст г 0,5 к СО г. 2 о Л О 3 ю £8 2 о s и S Характеристики полимеров
мш.ю-з rrf,K
Полиглицидилмета- крилат 4-Ю-7 15 50 2 0,5 125 —
Сополимер ГМА с этилакрилатом (СОР) 410-7 10 50 1 1 160 307
Сополимер ГМА со стиролом 8-IO-0 10 50 1,4 — 49 363
Сополимер глипидил- акрилата со стиролом 5-Ю-6 10 50 1,1 — 57 326
Полистирол (PS) 1 • ю-6 15 50 — 1 1460 —
Полихлорметилсти- рол (CMS) 4-Ю-7 — — 1,4 0,2 — —
Полибутадиен (РВ) 2-Ю-7 20 50 0,8 — — —
Эпоксидированный полибутадиен (ЕРВ) 5-Ю-6 20 50 0,4 — — —
Сополимер бутадиена со стиролом 2-10-» 20 50 1,8 — — —
Полиметилциклоси- локсан (PMCS) 2-10-» 20 50 1,9 — — —
Поливинилциклоси- локсан (PVCS) 7-Ю-7 20 50 0,5 — — —
Сополимер октаде- цилвинилового эфира с аллиловым эфиром малеиновой кислоты (VL-100) но-7 9
Сополимер метилмет- акрилата с мономе- тилмалеинатом (SEL-N) 8-Ю-7 50 1,8 0,3
ЭРН-20 5-10-» 10 50 — 1...1,5 — —
ЭРН-16 ню-7 10 50 — 2...3 — —
режимов плазмохимического травления (ПХТ) удалось через маску PBS про-
травить слои Si3N4 и поликристаллического кремния. Показано, что стойкость
PBS сильно зависит от температуры процесса ПХТ, а резисты РММА и СОР
менее чувствительны к ней.
Для кремниевой технологии наиболее широко используемыми электроноре-
зистами являются РММА и его производные, так как они обладают высокой
разрешающей способностью. На РММА получены линии в 2,5 • 10-2 и даже
8-10~3 мкм. Повысить чувствительность РММА можно при многократном по-
крытии подложки несколькими слоями РММА с разными молекулярными мас-
сами. На рис. 9.47 показана двухслойная система электронорезиста на подлож-
ке (Я), в которой нижний слой РММА (2) имеет молекулярную массу 82 тыс.,
а верхний (1)—750 тыс. При проявлении такой системы в метилизобутилкето-
не происходит довольно сильное уменьшение толщины верхнего слоя, а нижний
оказывается полностью нетронутым на неэкспонированных участках и служит
отличной маской при травлении. Чувствительность такой системы достигает
7-10-6 Кл/см2.
Возможно использование системы из двух слоев разных резистов. Прояви-
тель каждого слоя должен исключать проявление другого слоя, что обеспечи-
376
Рис. 9.47. Схема процес-
са «взрывной» металли-
зации с применением
двухслойного электроно-
резиста РММА:
а — нанесение резиста; б —
профиль резиста после про-
явления; в — осаждение алю-
миния
а) б)
вает бездефектность маскирующего слоя и позволяет достигнуть чувствитель-
ности 5-10~6 Кл/см2.
Еще один способ повышения чувствительности РММА, содержащего около
1% метакриловой кислоты, основан на различной способности экспонированных
и неэкспонированных слоев к набуханию в соответствующем проявителе. На-
бухшие участки удаляются при разбрызгивании органического вещества на по-
верхность пленки резиста. Получена чувствительность 5-10~6 Кл/см2.
В технологии важным является стойкость резистивных материалов в режи-
мах травления. Плазмо- и ионно-химические способы травления имеют сущест-
венные преимущества перед жидкостными, особенно при воспроизводстве эле-
ментов субмикронных размеров.
В методах ЭЛЛ с использованием ПХТ или «взрывной» металлизации сле-
дует учитывать следующее:
негативные электронорезисты обладают более высокой плазмохимической
стойкостью, чем позитивные;
наиболее плазмостойкими материалами являются полимеры, макромолеку-
лы которых содержат в основной или боковой цепи радиационно- и термостой-
кие группировки (ароматические, циануратные и т. д.). Относительное содер-
жание таких групп определяет плазмо- и термоустойчивость электроночувстви-
тельных материалов;
плазмоустойчивость органических резистов в основном будет определяться
наличием или отсутствием следов кислорода при ПХТ, так как скорости уда-
ления полимерных материалов в кислородной плазме в 5... 10 раз выше, чем в
чистой галогеносодержащей;
стойкость резистов также зависит от температуры травящей плазмы.
Кроющая способность электронорезистов. Одним из важ-
ных свойств электронорезистов является кроющая способность (КС), т. е.
способность резистов образовывать на микрорельефной поверхности пластин
пленку равномерной толщины. Высокая КС электронорезистов обеспечивает не-
обходимую однородность размеров элементов на выступах и впадинах пла-
стины.
Оценку КС электронорезиста проводят по тесту (рис. 9.48), выполненному
на полупроводниковой кремниевой пластине в виде трех типов топологии полу-
проводниковых структур, наиболее часто встречающихся в реальных условиях:
1 — одиночные (изолированные) выступы; 2 — одиночные впадины; 3 — чередую-
Рис. 9.48. Топология теста для опре-
деления кроющей способности рези-
стов
Рис. 9.49 Фрагмент профиля сту-
пеньки микрорельефа для определе-
ния коэффициента КС
Рис. 9.50. Зависимость Н\1Н2 от ши-
рины структуры элементов В:
2 —ХМПС-1; 2 —• ХМПС; 3 — СММК; 4 —
ЭРН-14С; 5 —ЭРП-40; 5 — ЭЛ П-9
резистивную маску и
Ступенька микрорельефа
с фиксированным углом
коэффициента КС элект-
щиеся выступы и впадины. Ширина
элементов для этих типов топологии
3...30 мкм, а длина 1000 мкм.
Изготовление теста возможно на
кремниевых пластинах с ориентаций
кристаллографических осей [100] ани-
зотропным травлением (АТ) монокри-
сталлического кремния на необходимую
глубину через
пленку SiO2.
должна быть
наклона.
В качестве
ронорезиста принято отношение толщи-
ны пленки резиста на выступе Н{ к
толщине пленки резиста во впадине Н2
микрорельефа. Толщина пленки электро-
норезиста на гладкой части пластины h,
способ нанесения и сушки резиста, глубина микрорельефа могут быть при этом
переменными. Толщины электронорезистивной пленки на выступе и впадине
микрорельефа измеряются методом оптической интерферометрии в середине
выступа или впадины (рис. 9.49).
На рис. 9.50 показаны зависимости Нх/Н2 от ширины В элементов струк-
туры при постоянной глубине микрорельефа Н=\ мкм и толщине электроно-
резиста ft = 0,55 ±0,05 мкм для топологии третьего типа. Выбор значений Н и
h для определения КС электронорезиста обусловлен их типичностью для совре-
менного этапа изготовления БИС с субмикронной и микронной геометрией.
С ростом ширины элементов структуры относительное значение Нх/Н2 для
электронорезистов (табл. 9.10) независимо от взаимного расположения элемен-
тов возрастает. Чем меньше ширина элемента, тем значительней неравномер-
ность его покрытия пленкой резиста (#i///2<0,7). Наиболее ярко это выра-
жено для третьего типа топологии в области линейных размеров до 15 мкм
(рис. 9.50). Для первого и второго типов топологии эта область сужается до
7 мкм, а характер кривых зависимостей Нх/Н2 от В сохраняется. Наилучшей
КС среди приведенных резистов для элементов топологии размером менее
3 мкм обладает позитивный электронорезист ЭРП-40 (КС = 0,63...0,73), но и эта
КС недостаточна для равномерного перекрытия ступенек рельефа глубиной
1 мкм.
Таблица 9.10. Основные параметры электронорезистов
Электронорезист Чувствительность, Кл/см2 Максимальная разрешающая способность, мкм Температура сушки, К
ЭЛП-9 2-Ю-5 0,9 433...443
ЭРП-40 1.5-10-5 0.9 433...443
ЭРН-14С 2-Ю-5 0,5 373...383
ХМПС 2-10~е 0,6 373...383
ХМПС-1 ЗЮ-6 0,8 403...413
СММК 2-Ю-8 0,4 393...403
При ширине элементов B^(3...5)ft понятие «кроющая способность» рези-
стивных материалов теряет физический смысл, так как фактически выравнива-
ется поверхность пластины (рис. 9.51). Для элементов структуры шириной
более 15 мкм Hi/H2 (на примере третьего типа топологии) практически не за-
висит от исходной толщины резиста h и стремится к единице, а с уменьшением
линейных размеров структур влияние h на Н{/Н2 становится существенным.
Полученные зависимости Нх/Н2 от Н (рис. 9.52) свидетельствуют о резком
снижении равномерности покрытия структуры пленкой резиста с увеличением
378
Рис. 9.51. Зависимость H\jH2 от тол-
щины исходной пленки электроно-
резиста ЭЛП-9 при /7=1 мкм
Рис. 9.52. Зависимость //i///2 от глу-
бины рельефа Н для ЭЛП-9
Для первого типа топологии /7=0,5 мкм;
Д=3, 8, 30 мкм (кривые 1, 4, 6 соот-
ветственно); для третьего типа тополо-
гии при В=0,5 мкм Н =0,5; 1; 1,5 мкм
(кривые 2, 3, 5 соответственно)
глубины ступеньки микрорельефа, уменьшением ширины элементов и толщины
резиста. Для получения методом ЭЛЛ топологических структур субмикронной
и микронной геометрий с высокой воспроизводимостью их размеров глубина
ступеньки микрорельефа не должна превышать 0,5 мкм при толщине резиста
не менее 0,5 мкм. Создание полупроводниковых приборов с размерами элемен-
тов менее 1 мкм ставит перед технологами и топологами задачу совершенство-
вания технологии их изготовления не только по разработке и внедрению новых
процессов и материалов, но и уменьшению высоты ступеньки рельефа полу-
проводниковой структуры.
Степень планаризации рельефной поверхности можно оценить с помощью
приведенной методики как Н2/ (п1+Н2). Планаризация поверхности будет до-
стигнута в том случае, если это отношение равно или близко к единице.
Методы электронно-лучевого экспонирования. Для получения рисунков ме-
тодом ЭЛЛ применяются два способа: ЭЛ, управляемый ЭВМ, перемещается
заданным образом по поверхности подложки; электронный пучок проходит
через маски. Электронный пучок может быть сформирован в очень тонкий луч.
который модулируется и перемещается по поверхности нанесенного на подложку
резиста для получения необходимого рисунка. Электронный луч может быть
сфокусирован в точку субмикронного размера при таких больших токах, при
которых время экспозиции составляет менее 10“7 с. Поскольку для получения
рисунков на подложке с кристаллом 0,5X 0,5 см2 и размерами элементов
0,25 мкм2 требуется 1010 позиций луча, то повышение скорости экспозиции
является весьма важной задачей.
Методы репродуцирования с высокой разрешающей способностью приведены
на рис. 9.53. Они основаны на бесконтактном репродуцировании рисунка ФП
с помощью электронного (рис. 9.53, а, б) или рентгеновского (рис. 9.53, в) луча.
Среди этих проекционных методов рентгенолитография обеспечивает наиболее
высокую разрешающую способность. Методом электронной проекции с фотока-
тодом получены линии шириной 0,5 мкм на поле 75 мм и методом рентгено-
литографии линии шириной 0,1 мкм. Целесообразно использовать шаблоны, по-
лученные с помощью ЭЛЛ и в проекционной ФЛ с зеркальной системой
(рис. 9.53, а) в сочетании с УФ излучением, чтобы свести к минимуму эффекты
дифракции.
Алгоритмы формирования топологии. Формирование топологи-
ческого рисунка в слое резиста осуществляют: векторным сканированием, при
котором сначала лучом рисуют требуемую фигуру, затем скачком перемещают
379
г)
Рис. 9.53. Методы репродуцирования с помощью электронного (а, б), рентге-
новского излучения (в) и проекционной ФЛ с зеркальной системой (г):
/ — фотокатод с маской; 2— фокусирующие отклоняющие катушки; 3 — кремниевая пла-
стина; 4 — проекционная линза; 5 — конденсаторные линзы; 6 — электронная пушка;
/—•шаблон; 8 — подложка; 9 — резист; 10 — маска из золота; // — основное зеркало;
12 — вспомогательное зеркало
Рис. 9.54. Экспонирование топологи-
ческого рисунка методом векторно-
го (а) и растрового (б) сканиро-
вания
его в другое поле сканирования и при-
ступают к формированию следующей
фигуры (рис. 9.54, а); растровым ска-
нированием, при котором сканирование
проходит по всей площади наподобие
телевизионного растра, однако воздей-
ствие осуществляется только на тех
участках, которые должны быть экспо-
нированы (рис. 9.54,6); экспонировани-
ем всего топологического элемента сра-
зу лучом с переменным сечением.
380
Рис. 9.55. Варианты использования векторного сканирования:
а — растррвое сканирование; б — растровое сканирование с обходом по контуру; в — спи-
ральное сканирование; г — ВЧ-сканирование лучом с заданным сечением; д — сканирова-
ние с обходом по контуру лучом с изменяемым сечением; е — спиральное сканирование
лучом изменяемого сечения
При формировании топологических фигур используют несколько вариантов
метода векторного сканирования (рис. 9.55). Луч может сначала обойти контур
фигуры, а затем двигаться по спирали к центру (рис. 9.5, в) или, начав о кон-
тура, описывать петли, заполняя внутреннюю часть фигуры (рис. 9.55, б)мо-
жет и не обходить контур (рис. 9.55, а). Преимуществом вариантов с обходом
контура является возможность экспонирования внутренней части лучом боль-
шего сечения, если, конечно, установка позволяет быстро изменять размер се-
чения, не внося искажений в топологический рисунок (рис. 9.55, д, е).
Максимальная разрешающая способность последовательной ЭЛЛ онреде-
ляется минимальной шириной линии экспонирования. Она зависит от диаметра
электронного пучка d и размера области обратного рассеяния, т. е. области
резиста, в которую проникают электроны, отразившиеся от рабочего материала.
При обработке слоев резиста толщиной 0,3...0,5 мкм электронным пучком
диаметром d=0,05 мкм получены линии экспонирования шириной 200...260 нм,
что в 5 раз превышает размер диаметра пучка. Следовательно, если в уста-
новке для последовательной ЭЛЛ диаметр пучка равен ds, то минимальный
размер создаваемой микроэлектронной структуры не может быть меньше 5ds.
Ширина линий экспонирования зависит от толщины резиста. Чем тоньше
слой резиста, тем меньшую ширину линии можно получить. Следует учитывать,
что слои резиста толщиной меньше 0,2 мкм не обладают достаточными защит-
ными свойствами при травлении.
Теоретически электронный пучок может быть сфокусирован до размеров
порядка единиц нанометров. Диаметр электронного пучка исходя из дифрак-
ционного предела определяется выражением ds= ISf/D^U, где f — фокусное
расстояние электронной линзы; D — диафрагма электронной линзы; U — уско-
ряющее напряжение в вольтах.
При последовательной ЭЛЛ на резисте получены линии шириной 0,1 мкм.
381
Шаблоны для ЭЛЛ. Для субмикронной проекционной ЭЛЛ создают шаб-
лоны на тонких мембранах, которые прозрачны для электронов и служат ос-
новой для нанесения на нее маски. Материал мембраны должен обеспечивать
прохождение электронов с минимальным рассеянием, обладать необходимой
механической прочностью, технологическими и физическими характеристиками,
позволяющими создавать на поверхности мембраны доброкачественное масочное
покрытие. В качестве мембран для масок используются в основном кремний
и его соединения, а в качестве маскирующих покрытий — золото, платина и не-
которые другие металлы.
При прохождении электронных пучков через тонкие пленки электроны ис-
пытывают многократные упругие и неупругие столкновения с атомами вещества.
Характер взаимодействия существенно зависит от энергии электронов. Для
электронов с энергиями 20... 100 кэВ, которые являются оптимальными для осу-
ществления процессов экспонирования в ЭЛЛ, характерны следующие явления:
сильное торможение и рассеяние в среде; малая глубина проникновения; потеря
энергии на ионизацию атомов среды, во много раз превышающая потери на
тормозное излучение; невозможность ядерных реакций и рождения пар.
При энергии электронов на входе и выходе из пленок соответственно 50
и 20 кэВ глубина проникновения электронов в пленки из Si, Al, SiO2, AI2O3,
BN, SiC примерно в 4...5 раз превышает глубину проникновения в пленки из
Au, Pt, Fe, Си, Mo, W. При этом боковое рассеяние электронов на единицу
глубины проникновения d/t для тонких пленок из материалов первой группы
значительно меньше, чем для тонких пленок из материалов второй группы.
Материалы Si, SiC>2, А12О3, Al, BN могут быть рекомендованы для использова-
ния в качестве мембран шаблонов, a Au, Pt, Fe, Си, Mo, W могут быть ис-
пользованы как маски.
Расчет оптимальных толщин структуры тонкопленочного шаблона на мем-
бране. Для современных электронорезистов энергия электронных пучков долж-
на быть не меньше 10...20 кэВ. В то же время для обеспечения контрастности
изображения необходимо, чтобы энергия электронов, прошедших через маску
и мембрану, была много меньше заданной энергии экспонирования резиста.
Значение энергии электронов, прошедших маску и мембрану, можно вы-
брать так, чтобы значение энергии Е/=0,6/, где / — средняя энергия атомных
переходов в материале маски, которое для различных материалов пленок со-
ставля_ет 0,2... 1 кэВ и удовлетворяет условию получения контрастных изобра-
жений. Расчеты показывают, что при прохождении электронного пучка в по-
следовательности мембрана — масочное покрытие при £о=20 кэВ, маски из Au,
Mo, Fe, Ti, Си и Ni имеют соответственно толщину 1,07; 1,52; 1,55; 2,82; 1,43;
1,41 мкм. Толщина мембраны определяется энергией облучающих электронов
(в данном случае Ео=5О кэВ) и энергией экспонирующих резист электронов
(£t=20 кэВ). При заданном расположении мембраны и маски относительно
падающего электронного пучка уширение линий при ЭЛЛ будет определяться
в основном геометрической формой канала маски и зазором между маской и
электронорезистом. Если зазор пренебрежимо мал, то уширение экспонируемых
линий будет происходить в результате облучения электронами, вышедшими из
мембраны под углом, большим некоторого критического значения фКр (рис. 9.56).
Электроны, вышедшие из мембраны под меньшим углом, будут испытывать
многократные столкновения со стенками канала, в результате которых плотность
электронного пучка может значительно уменьшиться, и при одинаковом времени
облучения доза экспонирования от этой части электронов будет недостаточной
для засветки электронорезиста. Оценки показывают, что при 5...6 столкновениях
Рис. 9.56. Критический угол засветки резистов
при прохождении электронных пучков через ка-
налы маски в структуре шаблона мембрана —
маска:
1 — мембрана; 2 — маска
382
электронов со стенками канала плотность электронного пучка уменьшается на
порядок. Из геометрических размеров канала маски (рис. 9.56) может быть
определено q)KP = arctg[/i/(£-|-1)/], где h — толщина маски; I — ширина канала
маски; Л=5...6— число столкновений электронов со стенками канала маски.
Из формулы видно, что засветка электронорезиста под шаблоном будет
тем меньше, чем больше отношение Л/Z. Для рассчитанных толщин маски при
ширине линий 0,1...0,3 мкм <ркр = 50...60°.
При прохождении электронного пучка через шаблон в последовательности
масочное покрытие — мембрана значения толщин рассчитываются следующим
образом. Определяется толщина мембраны, при прохождении которой энергия
электронного пучка изменяется от начальной энергии облучения до энергии
экспонирования электронорезиста. Затем определяется толщина маски, которая
в совокупности с найденной толщиной мембраны обеспечивает снижение энер-
гии проходящего электронного пучка от Ео до Et~OfiJ. Для этого по найден-
ной толщине мембраны и энергии на выходе из нее определяется энергия элект-
ронов на границе маска — мембрана. Исходя из значения этой энергии и энер-
гии облучающих шаблон электронов можно определить толщину маски. Ре-
зультаты расчета толщин маски и мембраны для некоторых материалов при
прохождении электронного пучка в последовательности маска — мембрана при-
ведены в табл. 9.11. Толщины тонкопленочных маскирующих покрытий в струк-
туре шаблонов маска — мембрана меньше, чем в структуре шаблонов мембра-
на — маска. Это объясняется тем, что в первом случае маска должна снизить
энергию падающих электронов примерно на 5...6 кэВ. Оставшаяся часть энер-
гии пучка поглощается в мембране. Во втором случае маске необходимо погло-
тить электрон с энергией 20 кэВ, что и обусловливает ее большую толщину.
Таблица 9.11. Соотношение толщин маски и мембраны
Толщина, мкм Толщина, мкм
Структура шаблона маски мембраны Структура шаблона маски мембраны
Au — Si Mo — Si Fe-Si Cu — Si 0,88 1,35 1,27 1,19 20 Au — А12Оз Мо — А12О3 Fe — А120з Си — А120з 0,96 1,47 1,53 1,41 11,03
Au —Al Mo —Al Fe —Al Cu — Al 0,98 1,46 1,55 1,43 17 Au —BN Mo —BN Fe —BN Си —BN 0,89 1,4 1,46 1,34 17,46
Au — SiO2 Mo — SiO2 Fe — SiO2 Cu — SiO2 0,96 1,47 1,53 1,41 16,22 Аи — SiC Mo — SiC Fe—SiC Си — SiC 0,929 1,454 1,513 1,393 13,55
9.6. Рентгеновская литография
Основу рентгеновской литографии (РЛ) составляют принципы контактной
или бесконтактной печати при использовании для экспонирования низкоэнерге-
тического (1...10 кэВ) рентгеновского излучения. В этом случае можно прене-
бречь явлением дифракции, свойственным фотолитографии, а также явлением
обратного рассеяния, возникающим при ЭЛЛ. Принцип РЛ иллюстрируется
рис. 9.57. Система РЛ состоит из собственно рентгеновской установки для экс-
понирования; системы совмещения шаблона с подложкой; прецизионного шаб-
лона. Лучи проходят через шаблон, задерживаются на одних участках и про-
ходят через другие, проецируя изображение шаблона на резисте. Чувствитель-
ность рентгенорезистов приведена в табл. 9.12.
383
Рис. 9.57. Принцип РЛ и искажения при экспонировании резиста в системе
проекционной печати:
а —- геометрические; б — полутеневые искажения; 1 — вакуумная камера; 2 — катод;
3 — электронный пучок; 4 — мишень; 5 — источник рентгеновских лучей; 7 —вакуумное
окно; 8 — подложкй шаблона; 9 — поглотитель рентгеновских лучей; 10 — зазор; 11 — ре-
зист; 12 — пластина
Таблица 9.12. Чувствительность рентгенорезистов
Рентгенорезист Тип Доза облучения, мДж/см2
ПММА Позитивный 1000
Полибутенсульфон 100
Сополимер глицидилметакрилата и этилакрилата Негативный 50
Поли- (2,3-дихлор-1 -пропилакрилат) » 10
Эпоксидированный полибутадиен » 5,2
Поли-2-хлорэтилвинил эфир (1°/о-ный винилоксиэтилакрилат) 18
Сополимер метилметакрилата и ме- такрилата Т1 (массовая доля 28%) Позитивный 28
Смесь диакрилата бария (массовая доля 4 части) и диакрилата свинца (массовая доля 1 часть) » 25
Сополимер глициди^акрилата и 2,3- дибром-1 -пропилакри лата (молярная доля 60%) » 15
Поли-(2,2,3,4,4,4-гексафторбутилмета- крилат) Позитивный 52
384
Рис. 9.58. Зависимость коэффициента по- iqq
глощения различных материалов от дли-
ны волны 50
1ии мм. Маска для РЛ не
7 20
Маски для рентгенолитографии. Ос- £
новная цель при создании масок для РЛ ? jq
заключается в изготовлении тонкой под- §
ложки, прозрачной для рентгеновского из- j
лучения. Из-за высокого коэффициента аб-
сорбции всех твердых материалов маски
должны выполняться на тонких подложках § 2
(1...12 мкм). С одной стороны, маска долж-
на хорошо пропускать рентгеновское излу- 1
чение в местах, где отсутствует поглощаю- S
щий слой, с другой — хорошо поглощать
его в непрозрачных местах. Для изготовле- §
ния подложек используют два типа мем- § п
бран — органические и неорганические (по-
лиамид, кремний, двуокись кремния, алю- qj
миний и их соединения).
Подложки должны обеспечивать ста-
бильность размеров масок при изменении
температуры и воздействии влаги. При
совмещении маски с подложкой с точно-
стью 0,1 мкм стабильность размера маски
должна быть лучше 0,1 мкм на расстоянии свыше
может быть изготовлена на стеклянной основе (КТР стекла 3,7-10s град*1),
так как в том случае она поглощала бы большую часть рентгеновского излу-
чения. Обычно применяются материалы с малой удельной массой, такие как
бериллий, алюминий, кремний и другие простые вещества и соединения легких
элементов, например SiO2, SisN^ SiC, а также некоторые органические соеди-
нения.
Как видно из рис. 9.58, передача рентгеновского излучения через подлож-
ку определяется коэффициентом поглощения, зависящим от длины волны и
толщины. Так, при использовании источника А1к (Л=0,834 нм) для обеспечения
достаточной прозрачности маски толщина подложки кремния не должна превы-
шать 10 мкм, а для излучения с длиной волны более 2 нм подложка должна
быть тоньше 1 мкм. Более короткие волны (около 0,5 нм) можно использо-
вать для экспонирования структур с размерами элементов 1...10 мкм на более
толстом слое поглощающего материала, в то время как для элементов, требую-
щих высокого разрешения, предпочтительнее применение более длинных волн.
Материал — поглотитель рентгеновского излучения — должен иметь максималь-
ное произведение удельной массы на атомный номер. К таким материалам от-
носятся золото и платина, однако поглощение золота зависит от длины волны,
рентгеновского излучения, и эту зависимость необходимо учитывать при конст-
руировании масок. При экспонировании коротковолновым излучением кон-
трастность рисунка уменьшается вследствие возникновения рентгеновского из-
лучения со стороны золотого покрытия маски и экспонируемого резиста. Для
уменьшения влияния эмиссии оже- и фотоэлектронов из резиста между экспо-
нируемой пластиной и резистом вводят тонкий буферный слой металла или
покрывают резист тонким слоем (5...80 нм) металла, например эрбия, который
обладает большим коэффициентом поглощения рентгеновских лучей для
А1к-излучения. При этом рентгеновское излучение поглощается в металле, и
вторичные электроны, имеющие значительно большее сечение взаимодействия
с резистом, экспонируют его.
Оптимальная толщина подложки для рентгеновской маски и толщина абсор-
бирующего материала являются функциями длины волны рентгеновского из-
лучения и параметров применяемого резиста. Поглощающий рентгеновское из-
лучение материал можно сформировать разными методами. Обычно наносят два
металлических слоя: нижний — слой хрома, обеспечивающий адгезию к пол-
25 Заказ № 1270
385
ложке, и верхний — слой золота, толщина которого зависит от степени жестко-
сти рентгеновского излучения и контрастности ФР и составляет обычно
0,5...0,7 мкм. Рисунок на слое золота формируется с помощью одного из четырех
процессов: ионно-лучевого травления, электрохимического осаждения, травления
распылением или взрывной ФЛ. Платина является несколько лучшим поглоти-
телем, чем золото, но она менее технологичный материал.
Наиболее приемлемыми материалами для изготовления рентгеновских ма-
сок являются кремний и его соединения. Кремний имеет скачок поглощения
рентгеновского излучения при Л=0,674 нм, что ограничивает его использование
в качестве маски с алюминиевым или кремниевым источником рентгеновского
излучения.
Маска со структурой золото-на-кремнии имеет коэффициент теплового рас-
ширения, согласующийся с тепловыми свойствами кремниевых пластин, на кото-
рых изготавливаются приборы. Толщина подложки маски составляет 2...5 мкм.
Для формирования рисунка маски используется сканирующий электронный
микроскоп. Относительно небольшая скорость этого процесса является серьез-
ным ограничением. Высокая точность метода (0,1 мкм) обеспечивает высоко-
точное совмещение масок.
Кремниевые мембраны толщиной 1, 3 и 5 мкм для масок на основе кремния
ориентации (100) и (110) получают легированием материала n-типа бором
на соответствующую глубину. Исходная толщина пластин составляет 250 мкм.
Глубина диффузии бора определяет конечную толщину мембраны. Диффузия
бора на глубину 1...3 мкм была проведена при 1320 К в течение 3 ч из бро-
мистого бора, для получения глубины 5 мкм — из нитрида бора при 1410 К.
После удаления боросиликатного стекла на рабочую поверхность пластины на-
пыляли слой хрома 30 нм и слой золота 400 нм, затем наносили резист и
формировали в нем необходимый рисунок маски, а на завершающем этапе
ионно-химическим травлением получали рисунок в слое золота. После удаления
резиста рисунок маски защищали слоем SiO2 толщиной 100 нм. Для упрочне-
ния конструкции маски по периферии кристаллов формировали систему укреп-
ляющих ребер: ширина ребер 0,5 мм при размере кристалла 2X2 мм. Для
этого на обратную сторону пластины наносили слой ФР. После экспонирова-
ния ее укрепляли на сапфировой подложке и защищали по торцам воском.
В процессе травления применяли два типа травителей. Сначала пластину обра-
батывали в травителе неселективного действия (смеси азотной, уксусной и пла-
виковой кислот в отношении 5:3:3), нечувствительном к присутствию бора.
Пластину отмывали от парафина в горячем трихлорэтане, снимали с сапфиро-
вой подложки и помещали в селективный травитель, в котором растворение
кремния прекращается по достижении легированного бором слоя кремния.
Помимо методов диффузии кремниевые мембраны можно изготовить эпи-
таксиальным наращиванием.
Известен способ изготовления масок на основе мембран нитрида кремния
или оксинитрида кремния толщиной 0,1...0,4 мкм, в которых несущей основой
служит кремний. Этапы изготовления таких масок показаны на рис. 9.59. Пла-
стину кремния ориентации (100) п- или p-типа проводимости подвергают хи-
мико-механическому полированию с рабочей стороны и химическому полирова-
нию— с обратной стороны до толщины 200 мкм. На рабочую сторону плазмо-
химическими методами при 1070 К в среде азота наносят слой Si3N4 толщиной
0,2 мкм и на него — защитный слой SiO2 толщиной 0,2 мкм. Пластину терми-
чески окисляют с обратной стороны для выращивания пленки SiO2 толщиной
0,5 мкм. Обе стороны пластины покрывают ФР и на обратной стороне пластины
в пленке SiO2 формируют окно После удаления ФР на рабочую поверхность
методом вакуумного испарения наносят пленки хрома толщиной 0,005 мкм и
золота толщиной 0,02 мкм (хром является адгезионным подслоем для золота,
а золото — основой для создания рентгеновской маски), а затем покрывают ее
позитивным электронорезистом и подвергают электронно-лучевому экспониро-
ванию для формирования рисунка. На следующем этапе на сформированный
рисунок маски электролитическим методом осаждают слой золота 1 мкм После
удаления электронорезиста обратную сторону пластины травят в селективном
травителе до пленки Si3N4. Двухслойная мембрана Si3N4—SiO2, полученная хи-
мическим осаждением слоев из паровой фазы или распылением, прозрачна не
386
[iiiiiiimiimiHiHiiiimHiiHHiiniHiniiHit;
Рис. 9.59. Этапы изготовления маски на основе
мембраны SiC>2 — Si3N4:
1 — кремний (100); 2 — слой нитрида кремния; 3, 4 —
слой оксида кремния; 5 — пленка хрома; 6 —> пленка
золота; 7 — отдельные участки
'.......................................’-----------
I Z
/7777777777777777777777777^^
Рис. 9.60. Схематическое изображение участка
маски на основе мембраны: SUN4 — SiO2 — Si3N4:
1 — пленка золота; 2 — пленка нитрида кремния; 3 —
пленка оксида кремния 1 мкм; 4 — пленка нитрида
кремния 0,2 мкм; 5 — пластина кремния (100); 6 —
пленка оксида кремния 0,2 мкм; 7 — пленка нитрида
кремния 0,2 мкм
1
Рис. 9.61. Участок мембраны из карбида крем-
ния на кремнии:
1 — пленка SiC; 2, 4 — диффузионные р+-слои; 3 —
кремниевая пластина
J
только для рентгеновского излучения, но и для видимого, что позволяет опти-
чески совмещать маску с подложкой.
Была предложена трехслойная система пленок Si3N4—SiO2—Si3N4 (рис. 9.60),
по КТР в большей степени соответствующая кремнию, что существенно повы-
шает точность изготовления и совмещения такой маски. Пленку Si3N4 наносят
на рабочую поверхность пластины плазмохимическим методом при 1050 К из
смеси силана и аммиака. Толщина пластины кремния (100) составляет 300 мкм.
После образования пленки Si3N4 толщиной 0,2 мкм на нее методом ВЧ-распы-
ления осаждают пленку SiO2 толщиной 1 мкм и поверх нее пленку Si3N4 тол-
щиной 0,2 мкм. Общая толщина системы составляет около 1,5 мкм. На обратной
стороне пластины формируют пленки SiO2 толщиной 0,2 мкм и Si3N4 толщиной
0,2 мкм. Поглощающий слой для рентгеновского излучения состоит из пленки
титана толщиной 0,1 мкм, нанесенной распылением, и 0,5 мкм пленки гальва-
нического золота.
Для получения мембраны кремний травят с обратной стороны пластины в
30 %-ном водном растворе КОН в течение часа. Видимый свет проходит через
мембрану на 80%, что намного лучше по сравнению с мембраной из кремния,
легированного фосфором. Минимальная ширина линий, полученных на такой
маске, 1 мкм. Толщина слоев в трехслойной системе Si3N4—-SiO2—Si3N4 и их
соотношение подобраны так, чтобы механическое напряжение в мембране со-
ставило 8-Ю7 Н/м2.
Маску можно также изготовить на тонком слое карбида кремния на пла-
стине кремния (100) n-типа проводимости толщиной 280 мкм. На ее обеих сто-
ронах диффузией из нитрида бора формировались р+-слои 1,5 мкм. После напы-
ления пленки SiC на рабочей стороне пластины формируют рисунок маски, а
обратную сторону протравливают до р+-слоя в водном растворе КОН
(рис. 9.61).
25*
387
Изготовить маску можно методом взрывной ФЛ. Рисунок маски формиру-
ется с помощью ЭЛ. Этот метод устраняет эффекты, связанные с явлением
обратного рассеяния, которое ухудшает четкость рисунка (рис. 9.62,а). Для
этого ФР наносят на тонкую подложку (рис. 9.62,6). При экспонировании
излучение проходит сквозь подложку, и обратное рассеяние электронов очень
мало. После экспонирования и удаления резиста на подложку наносят метал-
лическую пленку. В растворителе удаляют оставшийся резист и получают го-
товый рисунок маски; ширина металлических линий 0,3 мкм. В качестве под-
ложки можно применять тонкие пленки Si3N4, А12О3 или любых органических
материалов.
Толщина абсорбирующего металла определяет степень контрастности маски,
которая, в свою очередь, зависит от отношения высоты маскирующего материа-
ла к его ширине. Обычно это отношение меньше или равно единице. Это озна-
чает, что для получения большей степени контрастности маски необходимо уве-
личивать толщины пленки металла, формирующего рисунок маски и, следова-
ЬШУ
б)
Рис. 9.62. Эффект взаимодействия электронного
луча с толстой (а) и тонкой (6) подложками
/ — электронный луч; 2 — экспонируемый участок; 3 —
резист; 4 — подложка
Рис. 9.63. Этапы изготовления высококонтрастной
рентгеновской маски:
1 — подложка; 2 — гальванический слой меди; 3 — слой
позитивного резиста; 4 — электронный луч; 5 —экспо-
нируемые участки; 6 — гальванический слой золота;
7 — слой негативного резиста; 8 — рентгеновское излу-
чение
6
2b-/
388
тельно, резиста, однако рассеивание ЭЛ в толстом резисте может повлечь за
собой изменение конфигурации рисунка маски. Можно применять многоэтапный
процесс наращивания резиста, тонкого слоя металла, совмещения и экспониро-
вания. Недостаток такого процесса — многократное совмещение шаблона с ри-
сунком, что резко уменьшает точность воспроизведения рисунка.
Маски для РЛ, степень контрастности которых выше единицы, выполняют
по технологическому процессу (рис. 9.63). На подложку, пропускающую рент-
геновское излучение, наносят тонкий гальванический слой металла, например
медь 0,2 нм, и сверху слой позитивного резиста. Толщина слоя резиста должна
примерно соответствовать наименьшей ширине линии рисунка маски. Пластину
экспонируют ЭЛ, проявляют и затем удаляют проявленный резист. Вытравлен-
ные отверстия гальваническим способом заполняют слоем поглощающего метал-
ла, обычно золота или платины, не удаляя оставшийся резист, поэтому толщина
металлизации соответствует толщине резиста. На следующем этапе на пластину
наносят слой негативного резиста и проводят экспонирование рентгеновским из-
лучением со стороны подложки. При этом засвечиваются те участки резиста,
которые не защищены участком металла. В этом случае рисунок маски, нане-
сенный гальваническим осаждением золота, служит шаблоном при последующих
операциях экспонирования, следовательно, они проводятся уже без совмещения.
После облучения негативный резист удаляют с неэкспонированных участков, ко-
торые гальваническим способом покрывают слоем золота до высоты негатив-
ного резиста, а так как рельеф резиста сформирован с помощью облучения че-
рез обратную сторону подложки, то профиль незащищенных участков резиста
представляет собой точную копию первоначального рисунка и имеет вертикаль-
ные стенки, которые заполняются осажденным золотом. После этого стравливают
позитивный и негативный резисты, а также удаляют слой меди с участков, кото-
рые не являются рисунком маски. При необходимости высоту рисунка маски
можно увеличить, повторив операции нанесения негативного резиста, экспониро-
вания, травления и гальванического травления металла. Такой метод формиро-
вания рисунка применим и для изготовления других типов масок.
Для получения тонких и оптических плоских мембран предлагается создавать
их непосредственно в процессе изготовления рентгеновской маски. Для этого
на подложку из оптически плоского кварца толщиной до 1,5 мм центрифуги-
рованием полиимидной кислоты наносят тонкий слой полиимида 0,5...5 мкм. Ча-
стота вращения центрифуги и концентрация кислоты определяют толщину плен-
ки. Полиимидная кислота превращается в полиимид после термообработки при
420...520 К в течение 1 ч. После термообработки на пленку наносят поглощаю-
щий слой металла, в котором методом ЭЛЛ создают необходимый рисунок; при
этом пленка остается прикрепленной к подложке и в процессе формирования
рисунка. Кварц в данном случае служит теплоотводом, и проблема нагревания
пленки при ионно-лучевом травлении или других операциях устраняется. Опор-
ное кольцо из нержавеющей стали, кремния или другого материала прикреп-
ляется к полиимиду перед стравливанием подложки в растворе плавиковой кис-
лоты. В процессе травления со стороны полиимидной пленки наносят слой изо-
пропилового спирта, который обеспечивает позитивное давление от поверхности
полиимида и нейтрализует травитель, проходящий через проколы в пленке.
Маски, изготовленные для РЛ, могут использоваться и для ионолитографии,
основанной на облучении пленки электронорезиста коллимированным ионным лу-
чом. Метод в принципе позволяет получать элементы размером менее 0,5 мкм.
Совмещение. При РЛ рабочий шаблон помещают в установку экспониро-
вания рентгеновскими лучами, где происходит перенос топологии шаблона на
подложки (рис. 9.64). Подложка предварительно грубо совмещается с шаблоном,
после чего включается рентгеновская установка. Часть рентгеновского излуче-
ния, проходя через метки совмещения, частично прозрачные для этих лучей,
попадает в детектор, сигнал с которого поступает на пьезоэлектрические приво-
ды, приводящие в движение столик с подложками по осям X и К. Перемещение
столика продолжается до тех пор, пока середины реперных меток на шаблоне
и подложке не совпадут. В этом случае непрозрачные для рентгеновских лучей
области полностью поглотят лучи и детекторы нуля дадут сигнал об оконча-
нии совмещения. Для совмещения используют источники ИК-излучения, имею-
щие большую, чем у рентгеновских лучей, глубину проникновения в кремний.
389
a)
Рис. 9.64. Схема устройства совмещения (а), заготовка-шаблон (б) и рабочий
шаблон (в):
1 метки совмещения для рентгеновских лучей; 2 — реперные знаки; 3 — кристалл;
4 — шаблон; 5 — топология
Вследствие малой длины волны рентгеновского излучения (Х=0,4...5 нм) источ-
ник рентгеновских лучей конечного размера удален от шаблона и резиста до-
статочно далеко, что обеспечивает малую расходимость. Конечные размеры ис-
точника и расходимость рентгеновских лучей вызывают полутени и геометриче-
ские искажения (рис. 9.65). Полутеневое изображение снижает четкость линий
на рентгенорезисте и определяет минимально допустимое значение литографи-
ческого разрешения системы Д, мкм: A=S(d/D), где S — ширина зазора между
шаблоном и пластиной; d — диаметр источника излучения; D расстояние от
источника до шаблона.
В системах с высоким разрешением Д не должна превышать 0,1 мкм. В то
же время зазор S должен быть достаточно большим, чтобы исключить контакт
резиста с шаблоном.
390
Бесконтактные проекционные системы
обеспечивают низкую плотность дефектов. Гео-
метрические искажения возникают из-за того,
что проецирование рисунка шаблона на ре-
зист осуществляется расходящимся пучком.
Их величина Z зависит от положения изобра-
жения относительно центральной оси пучка:
Z=S(IF/D), где W — расстояние на пластине
от центральной оси пучка до изображения.
При одновременном экспонировании всей
пластины U7 равно половине ее диаметра.
Разброс ширины зазора da приводит к флук-
туациям геометрических искажений dz =
=d3 (W/D). Флуктуации геометрических ис-
кажений влияют на минимально достижимую
величину разрешения, поэтому dz не должно
превышать 0,1 мкм.
Установки ЭЛЛ могут быть использованы
не только для производства шаблонов, но и
для непосредственного формирования рисунка
на пластине, а рентгеновские установки —
для переноса изображения с шаблона на
пластину.
В зависимости от производительности, размеров элементов ИС и типа си-
стем совмещения РЛ развивается по двум направлениям:
использование излучения с Х=0,4...1,3 нм, рентгеновских установок с вра-
щающимся анодом, относительно простых систем совмещения, достаточно чувст-
вительных (около 5Дж/см3) негативных резистов, обеспечивающих разрешение
0,5 мкм и требующих продолжительности экспонирования не более 1 мин, для
изготовления ИС с размерами элементов 0,5... 1 мкм;
использование синхротронного излучения с Х=1...2,5 нм, более сложных, чем
в первом направлении, систем совмещения, менее чувствительных, но обладаю-
щих высокой разрешающей способностью позитивных резистов типа РММА, обес-
печивающих изготовление многослойных структур с размерами элементов 0,05...
s..0,5 мкм.
9.7. Ионно-лучевая и голографическая литографии
Ионно-лучевая литография (ИЛЛ)—метод получения структур с субмик-
рометровыми размерами элементов. Разрешающая способность ИЛЛ выше, чем
электронной. Дифракционные ограничения практически отсутствуют, так как
длина волны де Бройля для ионов при сравнимых энергиях значительно меньше,
чем для электронов и тем более фотонов. Для ИЛЛ не существует эффекта бли-
зости. Боковое рассеяние ионов при их проникновении в вещество незначитель-
но, вторичные электроны имеют малую энергию и тормозятся на расстояниях,
меньших сотой доли микрометра. Резисты обладают значительно большей чувст-
вительностью к ионам, чем к электронам, так как удельные потери энергии
ионов в десятки раз больше.
Ионные источники. Известны три типа ионных источников: дуоплаз-
мотронный, жидкометаллический и газофазный с полевой ионизацией. Работа
первого основана на извлечении из плазмы газового разряда, а второго и третье-
го— на явлении отрыва ионов жидкого металла или сорбированного газа с
острия анода под действием сильного электрического поля. Принципиальные схе-
мы ионных источников приведены на рис. 9.66, а их характеристики — в
табл. 9.13.
Наибольшей яркостью, достигающей значения 109 А-см~2-ср~1, и наимень-
шим разбросом ионов по энергиям обладает газофазный полевой источник. Не-
сколько хуже свойства у жидкометаллического источника, но он прост, надежен
в эксплуатации и наиболее пригоден для ИЛЛ. Дуоплазмотрон имеет недоста-
точную яркость, поэтому при его использовании резко возрастает время экспони-
рования резиста.
391
Рис. 9.66. Принципиаль-
ные схемы ионных ис-
точников:
а — дуоплазмотрон; б — га-
зофазный источник с поле-
вой ионизацией; в — жидко-
металлический источник с
острием; г — жидкометалли-
ческий капиллярный источ-
ник; 1 — электрод; 2 — плаз-
ма; <3 — анод; 4 — экстрак-
тор; 5 — эмиттер; 6 — жид-
кий металл
Таблица 9.13. Основные характеристики ионных источников
Характеристика Источник
дуоплазмотронный | жидкометаллический | газофазный
Яркость, А-см-2 •стер'"1 ю2 106 109
Эмиттанс, мкА/стер 2-Ю3 20 10...60
Виртуальный размер ис- точника, мкм 50 Менее 3-10-2 Менее Ь.1(Н
Разброс ионов по энер- гиям, эВ 4 5...10 1
Рабочее вещество Аг Ga, Bi, Au, In, Sn, Pb, Cu, Zn, В
Ионно-лучевая литография развивается в трех направлениях: с использо-
ванием коллимированных управляемых ионных пучков остросфокусированных
ионных пучков и ионно-проекционных систем.
Экспонирование коллимированным ионным пучком. Экспериментальные ус-
тановки ИЛЛ, в которых используются широкие пучки протонов (рис. 9.67)
подобны установкам ионного легирования.
Система ИЛЛ для получения рисунка ИС путем экспонирования чувстви-
тельного слоя органического резиста аналогична системе РЛ с микрозазором.
Шаблон для ИЛЛ изготовляется на основе сплошной тонкой (~0,5 мкм) плен-
ки аморфного (монокристаллического) материала с нанесенной на нее пленкой
(0,5...! мкм) тяжелого металла, поглощающего протонное излучение, или с от-
верстиями в тех местах, где должна отсутствовать металлическая пленка.
Пластина, предварительно покрытая слоем резиста ПММА, экспонируется
через шаблон, помещенный в непосредственной близости от нее, путем скани-
рования коллимированным проточным пучком, сечение которого около 1 см2.
Энергия протонов в пучке составляет 150...250 кэВ, ток пучка 1 мкА. При ука-
занной энергии протоны имеют малую длину пробега в материале основы шаб-
392
Рис. 9.67. Схема экспонирования
коллимированным ионным пучком:
1 — источник ионов; 2 — ионный пучок;
3 - коллимирующая система; 4 — управ-
ляющая система; 5 — шаблон с отверстия-
ми или сплошной; 6 — пленка материа-
ла, не пропускающего ионы; 7 — под-
ложка для ИС
таллиевого сканирующего ионного зон-
да с ускоряющим напряжением 57 кВ:
1 — нагреватель; 2 — резервуар; 3 *-> жидкий
галлий; 4 — вольфрамовая игла; 5 — эмитти-
рующий наконечник; 6 — вытягивающий элек-
трод; 7 — диафрагма; 8 — электроды уско-
ряющей линзы; 9 — электрод электростатиче-
ского дефлектора; 10 — электронный умножи-
тель; 11 — мишень
лона (1...2 мкм), что приводит к сильному поглощению ионов. Толщина основы
сплошного ионошаблона должна быть в несколько раз меньше толщины основы
рентгеношаблона. Это осложняет изготовление таких ионошаблонов. Кроме того,
к недостаткам сплошного ионошаблона относится механическая непрочность
многократно облученной тонкой пленки основы.
Ионошаблон-маска с отверстиями на месте экспонируемых участков (анало-
гичного шаблонам для электронно-проекционного экспонирования с уменьше-
нием) улучшает условия экспонирования. Возможное при этом снижение ион-
ного тока в пучке увеличивает стойкость маски.
Пучки протонов в отличие от ЭЛ значительно меньше подвержены влиянию
паразитных электромагнитных полей из-за большей массы частиц. Вторичные
электроны, генерируемые в результате экспонирования протонами, имеют очень
низкую энергию, и длина свободного пробега не превышает 10 нм. Кроме того,
отсутствие эффекта близости обеспечивает высокое разрешение метода. Ионно-
оптическая фокусировка позволяет получать сильноколлимированные пучки и
исключает возникновение полутеневых искажений. Вследствие большого тока
пучка протонов и высокой чувствительности позитивного резиста МППА к про-
тонам, превышающей в 100...1000 раз чувствительность к электронам, экспониро-
вание происходит за доли секунды — отсюда потенциально высокая производи-
тельность ИЛЛ.
Экспонирование остросфокусированным пучком. В об-
рабатываемом материале остросфокусированные ионные пучки характеризуются
значительно более низким рассеянием ионов по сравнению с электронами.
393
Теоретически ионный пучок может быть сфокусирован с помощью элект-
ростатических линз до очень малых размеров, и его диаметр с учетом дифрак-
ции ионов определяется по формуле ds = \,5f/D^U, нм/с где f — расстояние от
линзы до пластины; D — диафрагма линзы; U — ускоряющее напряжение.
Минимальный диаметр неотклоненного пучка di тш зависит не только от
дифракции, но и от сферической аберрации и теплового разброса di min==
s=(4Cc/jib/4)1/4(/i/Bmax)3/6, где Сс — коэффициент сферической аберрации; Л —•
ток ионного пучка у поверхности пластины; В max максимальная яркость источ-
ника (плотность тока эмиссии, исходящего в единичный пространственный угол).
Максимальная яркость источника рассчитывается по формуле Втах=
=/е maxeU/nkT к, где /е max максимальная плотность тока эмиссии; в — заряд
электрона; k— постоянная Больцмана; Тк — температура катода.
Большой коэффициент сферической аберрации и малые значения яркости су-
ществующих ионных источников (200 А-см-2-стер.”1) приводят к тому, что при
одинаковом токе минимальный диаметр ионного пучка был на один-два порядка
больше чем электронного. Уменьшить диаметр пучка уменьшением угла сходи-
мости в результате использования диафрагм не удавалось, поскольку сильное
диафрагмирование вызывает резкое снижение тока пучка /г.__
Высокая плотность объемного заряда ионов (в ^пи/те раз больше, чем
электронов) обусловливает сильное расхождение ионных пучков под действием
электростатических сил, что приводит к низким по сравнению с электронными
пучками значениям плотности тока и яркости ионных источников. Однако по ме-
ре повышения ускоряющего напряжения U влияние пространственного заряда
ионов снижается. Для реализации ИЛЛ необходимо создание источников с вы-
сокой плотностью тока и яркостью.
Остросфокусированные ионные пучки используют для: локальной засветки
ФР; создания локальных зон нарушения кристаллической структуры с после-
дующим травлением (без применения ФР); локального удаления пленки физи-
ческим распылением ионами аргона; локального нанесения металлических пле-
нок осаждением ионов металлов.
Для проведения ионно-лучевого экспонирования с помощью источников ио-
нов, обычно применяемых для ионного легирования полупроводников, потребу-
ется времени в 1О4...1О5 раз больше, чем необходимо для экспонирования рези-
ста электронным пучком.
Ионные источники с использованием полевого эффекта и эмиссии из жидкой
фазы обеспечили повышение яркости на четыре — шесть порядков.
Работа жидкометаллического ионного источника базируется на формирова-
нии стабилизированного полем конуса жидкого металла, из которого под дей-
ствием поля происходит испарение ионизированных атомов. К вершине конуса
металл поступает из вязкого потока на поверхности эмиттера в результате ка-
пиллярных сил и градиента электростатического поля вблизи наконечника эмит-
тера. Высокоинтенсивный сканирующий зонд представляет собой сфокусирован-
ный луч, формирующийся из жидкометаллического таллиевого источника (ионы
Ga+ при токе 0,1 нА и диаметре 0,1 мкм)—рис. 9.68. Для галлиевых пучков
ток эмиссии может достигать 1...10 мкА.
Энергетический спектр ионов (Д£) расширяется при увеличении тока и мас-
сы частиц. Расширение спектра для Ga, In, и Bi составляет соответственно 5, 14
и 21 эВ при угловой интенсивности 20 мкА/ср.
При малых углах (примерно 1 мрад) можно получить ток ионного пучка
в несколько нанометров. Ионный луч формируется ускоряющей линзой с еди-
ничным увеличением и расположенной после нее дефлекторной линзой для ска-
нирования. Электростатический дефлектор с помощью ЭВМ позволяет переме-
щать пучок линейно или сканировать со скоростью 5-Ю4 мкм/с. Этот тонкий
микропучок может использоваться для микрообработки, легирования и экспо-
нирования резиста. На основе тонкого ионного микропучка можно получить раз-
решение на уровне 10...50 нм.
При использовании полевого эффекта источник обладает малой хроматиче-
ской аберрацией, что дает возможность получать ионные пучки диаметром око-
ло 10 нм, однако токи при этом не превышают 10”11 А.
Источники с использованием эмиссии из жидкой фазы позволяют получать
токи до 10”9 А, однако диаметр ионного пучка в этом случае вследствие зна-
394
Рис. 9.69. Схема экспонирования
остросфокусированным ионным пуч-
ком:
1 — источник ионов, 2 — ионный пучок;
3 — фокусирующая система; 4 — управляю-
щая система; 5 — подложка для микро-
схемы
Рис. 9.70. Схема модульного проек-
ционного экспонирования с уменьше-
нием изображения на шаблоне:
1 — источник ионов; 2 — ионный пучок;
3 — шаблон с отверстиями; 4 — фокуси-
рующая система; 5 — подложка для ИС
чительного хроматического разброса (4,5... 14 эВ) достигает 0,25 мкм. Для того
чтобы проэкспонировать слой резиста стандартной толщины 0,5... 1 мкм, ионы в
пучке должны обладать энергией более 100 кэВ. Использование ионов большой
энергии увеличивает боковое рассеяние и уменьшает разрешение, однако, как по-
казывают эксперименты, ионы с энергией 200 кэВ почти на два порядка эффек-
тивнее электронов с энергией 20 кэВ. Установка с фокусировкой ионных пучков
(рис. 9.69) будет аналогична установке ЭЛЛ, отличаясь от последней лишь
применением электростатических, а не магнитных систем фокусировки и откло-
нения пучка.
Получение ионной проекции изображения. В ионно-проек-
ционной системе ИЛЛ ионы в виде пучка извлекаются из источника, проходят
через конденсорную систему, зазоры в ионошаблоне-маске, затем через элект-
ростатическую линзу, которая формирует уменьшенное (10: 1) изображение мас-
ки на поверхности обрабатываемой пластины (рис. 9.70). Диапазон энергий ис-
пользуемых ионов 30... 100 кэВ, плотность ионного тока составляет 0,5...1 мА/см2.
Процесс ИЛЛ в данном случае представляет собой последовательное мультипли-
цирование уменьшенного изображения маски по всей площади подложки. Маски
размером 50x50 мм могут быть изготовлены из металлической фольги обычной
фотолитографией с точностью 3 мкм, обеспечивающей разрешение на кристалле
0,3 мкм и размер облучаемого ионами участка 5x5 мм. Суммарная аберрация
уменьшающих линз на всей обрабатываемой площади не превышает 0,05 мкм,
что обеспечивает разрешение проекционной системы около 0,2 мкм.
В случае применения актинорезиста (например, ПММА) ионно-лучевая си-
стема аналогична системе электронно-проекционного модульного экспонирования
с уменьшением.
Использование радиационных дефектов. Ионными пучками
можно получать рисунок без использования резистов, создавая радиационные
дефекты на облученных участках подложки.
Для облученных ионами (протонами) участков кремния, диоксида кремния
и других материалов характерно локальное увеличение скорости травления и
окисления, что аналогично радиационно-стимулированной диффузии. Можно со-
здавать профили концентрации дефектов^ имеющие экспоненциальный характер
395
Рис. 9.71. Принцип ис-
пользования голографи-
ческой литографии для
изготовления решеток:
а — экспонирование; 1 — фо-
торезист; 2 — подложка; б —
рельеф после травления ре-
риста: 1 — задубленный ре-
зист; 3 — подложка
по глубине. Фокусировка пучка протонов и изменение его параметров позволяют
регулировать наклон экспоненты, а также получать профили, близкие к прямо-
угольным.
Для пятикратного увеличения скорости травления облученных участков SiO2
на Si требуется доза электронов 5-Ю18 см-2, тогда как для ионов водорода или
дейтерия она может быть уменьшена до 2-Ю16 см~2, а для ионов гелия до
1-Ю15 см-2.
Голографическая литография. Принцип голографии заключается в том, что
на поверхности или в объеме светочувствительного материала регистрируется
интерференционная картина взаимодействия двух волн: предметной и опорной.
Этот зарегистрированный интерференционный узор и есть голограмма
(рис. 9.71). Если такую голограмму осветить опорной волной с фазой, сопряжен-
ной с фазой волны при записи, то восстановится предметная волна, также сопря-
женная с предметной волной при записи, т. е. волна, строящая действительное
изображение объекта. Голография в проекционной ФЛ обеспечивает: высокую
разрешающую способность на больших полях без использования сложных объек-
тов; запись и восстановление с одной голограммы нескольких изображений (на-
пример, различных слоев ИС); голографическую передачу высококачественных
изображений через поверхности низкого оптического качества (например, через
иллюминаторы вакуумных камер); малую чувствительность голограмм к повреж-
дениям и дефектам, т. е. большой срок службы голограмм-шаблонов; возмож-
ность голографической оптической мультипликации с полной совмещаемостью
изображений.
Схема голографической записи должна обеспечивать одинаковые условия для
записи всего поля объекта (условие изопланатизма). Апертурная диафрагма го-
лограммы (как проекционной системы) расположена на самой голограмме, по-
этому имеется два варианта, обеспечивающие изопланатизм: схема с располо-
жением объекта в непосредственной близости от голограммы и освещением его
плоской волной; схема с расположением объекта на значительном расстоянии
от плоскости регистрации и освещением его сходящейся на голограмме волной.
Для формирования голограммы требуется оптическая система, обеспечивающая
либо плоский, либо сходящийся однородный по интенсивности волновой фронт,
сопряженный с опорным с точностью не ниже к/4. Восстанавливающая волна
проходит через подложку голограммы, поэтому любые ее несовершенства влия-
ют на качество изображения. Для любых волновых фронтов, кроме плоских,
даже идеальная плоскопараллельная подложка вносит дополнительные аберра-
ции, учет которых при формировании требуемой восстанавливающей волны пред-
ставляет трудности. Необходимо использовать только плоскую опорную волну,
формирование которой требует высококачественной оптической системы и со-
пряжено с рядом трудностей. Подложка для голограммы должна иметь не-
плоскостность не более X/4 (п—1), где п — показатель преломления света под-
ложки, т. е. требования к ее качеству в несколько раз превосходят требо-
вания к подложкам эталонных ФШ.
В действительном изображении, формируемом голограммой, неизбежны ха-
рактерные для когерентного света искажения, возникающие из-за интерференции
света, рассеянного на различных дефектах компонентов и пыли на их поверх-
ностях, и света, формирующего основное изображение. Это приводит к ухуд-
шению качества изображения. Уменьшить этот эффект можно введением некото-
рой избыточности, Интерференционная картина на голограмме имеет сложную
пространственную структуру с характерными размерами элементов X. Получе-
396
ние таких голограмм эквивалентно субмикронной ФЛ, причем необходимо, что-
бы пространственная структура не искажалась в процессе записи, а регистрация
проводилась на линейном участке зависимости пропускание — экспозиция.
На ФР можно получать высококачественные голограммы, например дифрак-
ционные решетки с пространственной частотой до 4000 мм-1. Фоторезист обес-
печивает исключение искажений голограммы при регистрации, однако зависи-
мость глубины рельефа от экспозиции является линейной только в определенных
режимах проявления.
Для сложных объектов трудно обеспечить высокую энергетическую эффек-
тивность голограммы; так, при эффективностях свыше 4...5% возникает интер-
модуляционный шум, искажающий восстановленное изображение и совершенно
недопустимый в ФЛ. Неизбежны также потери, связанные с подбором оптималь-
ной экспозиции и с необходимостью выравнивания интенсивности интерферирую-
щих пучков. Все это на практике снижает полезную долю используемого излу-
чения до 1%. Эффективно для проекционной ФЛ использование синтезирован-
ных голографических (дифракционных) оптических элементов в объективах и
осветительных системах при создании высококачественных систем формирова-
ния микроизображений.
9.8. Процессы травления в литографии
В литографическом процессе после получения рисунка на резисте (фото-,
электронно-лучевым или рентгеновским методами) передают изображение на ма-
териал микроэлектронного устройства. Применяют процесс влажного (химиче-
ского) травления в жидкостях и сухого травления в плазме. Составы травите-
лей для травления материалов микроэлектронной технологии приведены в
табл. 9.14—9.16.
Для травления кремния используют изотропное и анизотропное травление.
Анизотропные травители травят кремниевую подложку в направлениях <100>
и <110> с более высокой скоростью, чем в направлении <111>. В большинстве
случаев анизотропные травители представляют собой многокомпонентные рас-
творы, состоящие из окислителя, который окисляет кремний до гидратирован-
ного диоксида кремния, и комплексообразователя, предназначенного для того,
чтобы в реакции гидратированным диоксидом кремния образовывать раствори-
мый комплексный ион и воду.
Изотропные травители травят кремний во всех кристаллографических направ-
лениях примерно с одинаковой скоростью. Они используются для травления и хи-
мического полирования кремния.
Изменение соотношений составляющих изотропного травителя изменяет ско-
рость травления. Например, травитель HF : HNO3: СН3СООН=1 : 40 : 15 травит
кремний (111) со скоростью 0,15 мкм/мин, кремний (100)—0,2 мкм/мин, т. е.
очень медленно (Т=298 К). Травитель HF : HNO3: СН3СООН= 1 : 3 : 10 (трави-
тель «Даша») отчасти является анизотропным. При 298 К он травит р и п-
кремний в направлении <100< со скоростью 130 нм/мин, а в направлении
<111>—4,5 нм/мин. Этот травитель травит сильнолегированный кремний р+-
или /г+-типа с концентрацией, большей чем 5-1018см~3, намного быстрее
(~2,5 мкм/мин), чем низколегированный кремний. Его можно считать концен-
трационно-зависимым. Травитель «Даша» используется для выявления кристалло-
графических дефектов в кремнии (111).
В табл. 9.17 приведены характеристики изотропных и анизотропных трави-
телей.
Анизотропное травление кремния. В технологии микроэлектронных устройств
широко используется АТ кремния.
Кремний с ориентацией (100). Плоскость (100) является единст-
венной из главных плоскостей, при пересечении которой плоскостями (110),
(111), (100) и (211) образуются фигуры с прямоугольной симметрией. Поэтому
этой плоскости отдается предпочтение при создании приборов, которые изго-
тавливаются с использованием методов АТ. Плоскость (100) пересекается че-
тырьмя плоскостями (111) под углом 54° 44' (54° 74'). При ориентации сторон
окна вдоль направления [ПО] или перпендикулярно ему (параллельно следу
397
Таблица 9.14. Составы
Трави
Компонент 1 2 3 4 5 6
FeCU, мл — —— — — — —
H2SO4, мл - -
НС1, мл 15 — — — — —
HNO3, мл 50 250 250 __
Н2О, мл 70 50 1000 250 250 До 1000
СгОз, г —— — 450 — — 450
(NH4)2S2O8, г — — — — — —
H2SO4, мл —— —- 50 — — 160
Н3РО4, мл — 50 — 250 — —
СНзСООН, мл — 50 — 250 — —
Н2О2, мл 15 — — — — —
fenCl2, г — — — — — —
KJ, г —— —— —— — —— —
NH4OH (20%-ный), мл — — — — — —
плоскости (Ш)) получаются фигуры травления пирамидальной формы с боко-
выми стенками, ограниченными плоскостями (111), и дном, ограниченным плос-
костью (100) (рис. 972).
Анизотропные травители растворяют.кремний в плоскости (100) до тех пор,
пока травление не дойдет до плоскостей {111}, начинающихся у края окна в
пленке SiO2 и встречающихся так, что они образуют V-образный профиль
(рис. 9.73). Глубина V-образной канавки зависит от ширины окна -на пластине
кремния, полученного с помощью ФЛ (рис. 9.74). Травление прекращается,
когда участки плоскостей {100}, выходящие на поверхность, стравливаются. Ре-
гулируя время травления, можно изменять профиль канавки трапецеидального
до V-образного.
На рис. 9.75 показана форма лунок, анизотропно вытравленных в кремнии
(100) через окна различной геометрии в маскирующей пленке. Если травление
по времени достаточно, то лунка на поверхности кремния представляет собой
прямоугольник, ограниченный окном в маскирующей пленке. Вытравленные лунки
ограничены четырьмя сходящимися плоскостями {111}. каждая из которых об-
разует угол 54°74' (arctg f2) с поверхностью (100).
Рис. 9.72. Формы канавок, получае-
мые с помощью АТ на кремнии
ориентации (100)
Рис. 9.73. Поперечное сечение V-об-
разной канавки
398
травителей для меди
тель
7 8 9 10 11 12 13 14
450 — — 1000 1000 300 — — (65%-ный) 450 — 160 1000 — — — — 18,5 — — — 10 — До 1000 — (37%-ный) — 15 — — — — 113 До 1000 До 1000 — — До 1000 — — — -50 - — - — - _ 200 — — — — — — — 50— — — - — — Z Z Z ZZ _ _ 50 - - - - - - 50 — — — —100 — — — _ - — — - — 50 —
Рис. 9.74. Форма вы-
травливаемой канавки
на пластине ориентации:
а — (100): б — (110);-----
поперечное сечение канав-
ки, ... — пересечение пло-
скостей {111) с поверхностью
пластины
Рис. 9.75. Форма лунок,
вытравленных в кремнии
ориентации (100) через
окна различной геомет-
рии
39U
Таблица 9.15. Состав травителей
Травитель Скорость травления, мкм/мин Темпера- тура травле- ния, К
Материал Состав Количество, мл
Металлы Кислота ортофосфорная Изопропиловый спирт Деионизованная вода 60 15 10 0,33 333 ±2
Кислота ортофосфорная Кислота азотная 80 150...250 нм/мин 5 313
А1 Кислота уксусная Кислота ортофосфорная 45 228 * 333
Кислота азотная Вода дистиллированная 9 15
Кислота соляная Вода дистиллированная 10 40 — 293 ±2
Кислота ортофосфорная Вода дистиллированная 45 55 — 333
Хромовый ангидрид Кислота плавиковая Вода дистиллированная 35 г 5 500 0,1 293
Кислота азотная Вода дистиллированная 10 50 — 293
Ni Кислота ортофосфорная Кислота азотная Кислота уксусная Вода дистиллированная 17 17 66 50 — 303
Персульфат аммония Серная кислота Вода дистиллированная 50 г 10 100 —. 343
Хлорное железо Медь серно-кислая Вода дистиллированная 300 г 100 г 1000 1,5 293
Калий бромистый Бром Вода дистиллированная 20 г 20 г 100 — 293
Кислота соляная Кислота азотная 30 10 0,5... 1 293
Диэлект- рические слои Кислота фтористо-водо- родная Аммоний фтористый (50%-ный) 50 50 0,06 293
SiO Кислота фтористо-водо- родная Аммоний фтористый Перекись водорода Вода дистиллированная 10 20 г 70 50 1,5 293
Кислота азотная Кислота фтористо-водо- родная 50 50 — 293
400
Продолжение табл. 9.15
Материал Травитель Скорость травления, МКМ/МИН Темпера- тура травле- ния, К
Состав Количество, мл
Кислота фтористо-водо- родная Аммоний фтористый 140 389 г 100 нм/мин 293
SiO2 Вода дистиллированная Кислота фтористо-водо- До 1000 15 мл 12 нм/мин 293
родная (49%-ная) Кислота азотная (70 % - ная) Вода дистиллированная Кислота серная (d~ 10 мл 300 мл 20 0,22 293
= 1,135) Аммоний фтористый Кислота фтористо-водо- 10 г 10 мл 0,06 нм/мин 293
AI2O3 родная (концентриро- ванная) Аммоний фтористый Вода дистиллированная Кислота фтористо-водо- 30 г 70 1000 нм/мин 333
родная (концентрирован- ная) Кислота серная 50 180 нм/мин 293
Fe2O3 Кислота соляная Кислота соляная Хлорное железо 50 150 14 г 313
Подслой Калий йодистый Вода дистиллированная Кислота соляная (кон- 10 г 50 373
центрированная) Кислота соляная Кислота азотная 20 20 293
NiCr Вода дистиллированная Кислота соляная (d= = 1,19) Кислота серная (d== 60 20 20 303...313
= 1,85) Вода дистиллированная Едкий натр Натрий углекислый 20 20 г 50 г 293
Вода дистиллированная Перекись водорода (35%-ный) Кислота азотная До 1000 10 293
Вода дистиллированная 100
26 Заказ № 1270
401
Продолжение табл. 9.15
Травитель Скорость Темпера- тура
Материал Количество, травления, травле-
Состав мл мкм/мин ния, К
V Кислота азотная 10
Кислота ортофосфорная 40 — 293
Кислота уксусная 10
Вода дистиллированная 40
Ti Кислота фтористо-водо- 10 12 305
родная (48%-ная)
Вода дистиллированная 90
Кислота серная 65
Кислота фтористо-водо- 1 — 293
родная
Вода дистиллированная 30
Кислота ортофосфорная — До кипе-
(концентрированная) ния
Едкий натр (40%-ный) 50 — 293
Кислота фтористо-водо- 5
родная
Кремний Кислота фтористо-водо- 20...10 4...8 293
и германий родная
Кислота уксусная 40...10
Кислота азотная 90...30
Кислота фтористо-водо- 10
родная
Si (моно) Кислота азотная 40 — 293
Серебро азотно-кислое 40
Кислота фтористо-водо- 10
родная
Кислота азотная 40 293
Si (поли) Серебро азотно-кислое 10
(1 г на 100 мл Н2О3)
Пропиленгликоль 200
Вода деионизованная 200 — 293
Кислота фтористо-водо- 10
родная
Кислота азотная 10 3 293
Ge Перекись водорода 10
Вода дистиллированная 40
Кислота фтористо-водо- 20 12 293
родная
Перекись водорода 10
Кислота фтористо-водо- 15 0,1...0,15 293
родная
Кислота азотная 25
Кислота уксусная 15
Кислота фтористо-водо- 20 0,5...0,6 293
родная
Кислота азотная 40
402
Продолжение табл. 9.15
Травитель Скорость травления, мкм/мин Темпера-
Материал Состав Количество, мл тура травле- ния, К
Кислота уксусная Натрий бихромат 30 10 г
Резистив- ные слои Соляная кислота (кон- центрированная) 150 нм/мин 293
Соляная кислота Глицерин 50 50 80 нм/мин 353
Сг Кислота соляная Вода дистиллированная 62 50 353
Кислота соляная Кислота серная 50 50 — 293
Кислота серная Кислота соляная Церий серно-кислый 100 100 200 — 293
Едкое кали Вода дистиллированная 20 г 100 0,8 323...333
Та Кислота азотная Натрий фтористый (на- сыщенный) 100 10 г — 293
Кислота азотная Кислота фтористо-водо- родная Кислота серная Вода дистиллированная 100 120...300 нм/мин 10 50 — 50 293 293
Кислота азотная Кислота фтористо-водо- родная (48%-ная) Вода дистиллированная 20 10 10 — 293
РС-3710; РС-3001 Кислота азотная Кислота фтористо-водо- родная Вода дистиллированная 14...20 2...6 24...10 — 293
Кислота соляная Кислота фтористо-водо- родная Аммоний фтористый Вода дистиллированная 45 5 2 г 50 — 293
Кислота азотная Кислота фтористо-водо- родная Кислота соляная Вода дистиллированная 15 15 15 55 — 293
Кермет Кислота соляная Кислота фтористо-водо- родная Вода дистиллированная 160 160 80 — 353...373
26*
403
Окончание табл. 9.15
Материал Травитель Скорость травления, мкм/мин Темпера- тура давле- ния, К
Состав Количество, мл
млт-зм Кислота азотная (54%- 20 — 293 ная) Этиленгликоль 100 Вода дистиллированная 80 Кислота фтористо-водо- 30 родная Кислота азотная 100 — 293 Вода дистиллированная 50 Кислота азотная 100 Натрий фтористый (на- 10 г сыщенный) Кислота фтористо-водо- 50 — 293 родная Кислота соляная 45 Кислота фтористо-водо- 5 240 нм/мин 293 родная Вода дистиллированная 50 Кислота азотная 35 Кислота фтористо-водо- 5 120 нм/мин 293 родная Вода дистиллированная 60
Таблица 9.16. Зависимость режимов обра-
Материал Травитель
А1 HNO3: H3PO4: H2O : CH3COOH
SiO2 HF : NH4F : H2O
SiO2 HF : NH4F : H2O
Au K3[Fe(CN)6] : H2NCSNH2: Na2S2O3-5H2O
Cr — Си — SiCr HC1: HF : HNO34-H2SO4: H3PO4: CH3COOH : H2O
Ni — Си — Cr H3PO4: H2SO4: HNO3 : H2O : CH3COOH : K3[Fe(CN)6] : KOH
404
1 мин
f мил
Рис. 9.76. Конфигурация профилей:
а — при травлении в 30%-ном растворе КОН
для канавок шириной 10 и 30 мкм и 0=0 и 90°;
15 и 75°; 30 и 60°; 45°; О...9О0 в кислотном тра-
вителе (/—5 соответствено); б, в — изменения
профиля травления в времени для 0 = 0, 90 и 45°
Профиль фигуры травления зависит от ориентации рисунка на плоскости
(100). Конфигурация профилей представлена на рис. 9.76.
Кремний ориентации (ПО). Пластина кремния (ПО) пересекается
шестью плоскостями {111}, из которых четыре перпендикулярны поверхности
(110), а остальные две пересекают плоскость (ПО) под углом 35°26'. Плоскости
(111) и (111) перпендикулярны поверхности (НО) и пересекаются между со-
бой под углом 109° 48' (рис. 9.77). Плоскости (111) и (111) пересекают поверх-
ность (ПО) под углом 35° 26' и внутри лунки под углом 109° 48'. Форма вы-
травливаемой лунки зависит от размера окна в защитной маске и времени трав-
ления. Получаемый поперечный рельеф называют (/-канавкой. Для ее формиро-
вания окно в маске ориентируют вдоль следа плоскости (111) или под углом
70° 53'. Последовательность процесса травления (/-канавки показана на рис. 9.78.
Подобно образованию V-канавки травление ее — самоостанавливающийся про-
цесс и приостанавливается, когда (/-канавка ограничивается шестью плоскостя-
ми (111): четырьмя вертикальными и двумя наклонными. Наклонные плоскости
ботки пленки от стравливаемого материала
Время трав- ления, мин Фоторезист Задубливание
Время, мин Температура, К
1 ФП-383 15 423
ФП-РН-7 15 403
До 7 ФП-383, 20 423...433
ФП-РН-7 30 398...403
Свыше 7 ФП-РН-7 По 15 между В процессе травления
слоями до 423...448
До 3 ФП-383, 30 423
ФП-РН-7 15 403
До 1 ФП-РН-7 По 15 между 443
слоями 453
463
До 1 ФП-РН-7 15 423
405
Таблица 9.17. Характеристики травителей для кремния
Тип Состав Ско- рость, мкм/мин Пло- скость Примечание
Изотроп- ный Н3РО4: HNO3: : СНзСООН 5 (111) —
Концентра- ционно-за- висимый Н3РО4: HNO3: : СН3СООН 3 (100) Медленное травление
Анизотроп- ный, или ориентаци- онно-зави- симый КОН : пропиловый спирт : Н2О 1 (100) 7=353 К; в <П1> скорость уменьшается в 100 раз, процесс пре- кращается на границе с р++-областью
Анизотроп- ный КОН : Н2О 8 (100) 7 = 353 К; в направле- нии <110> скорость в 600 раз больше, чем в направлении <111>
Анизотроп- ный концен- трационно- зависимый Этилендиамин : пи- рокатехин : вода (гид- разин) 1,1 (100) 7 = 373 К; травление прекращается на грани- це раздела с р++-обла- стью; травление SiO2 очень замедленное
Рис. 9.77. Травление v-канавки в кремнии ори-
________________ентации (110)_________________
Рис. 9.78. Последовательность процесса травле-
ния (7-канавки
{111} препятствуют травлению. Если дно канавки ограничено плоскостью (ПО),
то самоограничения травления еще не наступило.
Глубина самоограничивающейся (7-канавки определяется выражением d=
— (а+ЬУ 2 )/2]' b , т. е. зависит как от ширины окна а, так и от длины канавки
b (для V-канавки d=a/)'2, т. е. является функцией только размера а). Длин-
ные узкие U-канавки с мкм могут быть вытравлены на любую желаемую
глубину независимо от минимального размера окна. В коротких канавках глу-
бина травления ограничивается длиной окна b в маскирующем покрытии.
Фигуры травления на подложках кремния с ориентациями (100) и (ПО) в
зависимости от ориентационных условий приведены в табл. 9.18. При ориента-
ции системы параллельных полос, расположенных вдоль [100], образуются тра-
406
Таблица 9.18
Ориентационные условия и полиэдры травления на
подложках Si с ориентациями{100} и {ио}
Ориента- ция под- ложки Форма шаблона и его расположение но подложке Габитус подложки
Началь- ный Промежу- точный Предель- ныи
{ЮО} Квадрат со стороной а, расположенной вдоль <110 > <ТОд> <по>
{ЮО} Квадрат со стороной а, расположенной вдоль <100* <100> <ио> /\у/ 1^11} <110>
{ЮО} {ЮО} Круг диаметра а Система параллель- ных полос,расположен- ных вдоль *П0* ^^11} <110 • {111} {111}
{НО} круг диаметра а ^^{100}
{НО} Ромб с углом 70°32', [111! Л001]
{НО} {НО} расположенный большой диагональю вдаль [001] Система параллельных полос, расположенных вдОЛЬ[1П] или [U1] Система параллельных полос, расположенных вдоль [/00] 'tf/jlll}
пецеидальные или V-образные канавки с (111) боковыми стенками под углом
35° 16' к начальной поверхности (100).
Кремний ориентации (122). При травлении дисков кремния ори-
ентации (122), разделенных границами двойникования на четыре прямоугольных
сектора, наблюдаются И-, П-, V-образные профили. Конфигурации профилей
травления при маскировании под углами а к границе двойникования представ-
лены на рис. 9.79. Профиль И-образный образуется при маскировании под уг-
лами 11 и 79'. Боковыми сторонами профиля являются плоскости (111), кото-
рые наклонены к плоскости (122) под углом 78° 54'. Профиль П-образный полу-
чается при маскировании под углом 45° и отличается прямоугольностью. Боко-
вые стороны профиля образованы плоскостями {ПО}, быстро растворяющимися
в анизотропных травителях, поэтому растравливание соизмеримо с глубиной
травления (6 = 85% Н). Профиль, полученный при маскировании под углом
135°, характеризуется несимметричностью сторон, изменением конфигурации
профиля от трапецеидального до V-образного несимметричного при увеличении
глубины травления. Боковыми сторонами данного профиля являются плоскости
{111}. Профиль (а=150°) несимметричен, меняет конфигурацию при травлении
от трапецеидального до V-образного несимметричного. Боковые стороны на-
клонены к поверхности под углами р=19°28' и у=63° 36', которые образуются
при пересечении поверхности (122) с плоскостями (110) и (122). Для этого
профиля характерно большое растравливание в стороны, соизмеримое с глуби-
ной травления. Профили И- и V-образные практически не растравливаются.
Маскирующие покрытия при АТ. Маскирующим материалом
при АТ являются пленки БЮг. Устойчивость пленки БЮг в щелочном растворе
407
/3°48'
г)
Рис. 9.79. Конфигурация профилей травления кремния ориентации (122) при
маскировании под углами а:
а — 11 и 79°; б — 45°; в — 135; г — 150°
зависит от концентрации КОН. Превышение 40 %-ной концентрации травителя
приводит к резкому увеличению скорости травления оксида кремния, а при страв-
ливании последнего — к потере четкого микрорельефа на подложке. Для пра-
вильного выбора толщины пленки оксида необходимо знать некоторое критиче-
ское значение толщины пленки SiO2. При оптимальной концентрации щелоч-
ного травителя (КОН: Н2О) скорость травления SiO2 0,01; Si {100} 3,2; Si
{110} 4 мкм/мин.
Зависимость скорости травления SiO2 от концентрации КОН представлена
на рис. 9.80. Исходя из соотношения скоростей травления Si и SiO2 рассчиты-
вают оптимальную толщину маскирующей пленки для травления кремния на
заданную глубину.
Щелочные травители воздействуют на маски из алюминия. Практически не
травятся в щелочи пленки нитрида кремния. При травлении сквозных отверстий
в толстых пластинах кремния (500 мкм) в качестве маски используют Si2N4
толщиной около 0,1 мкм. Пленки SiO2 практически нерастворимы в гидразингид-
рате (ГГ), что позволяет использовать даже тонкие (0,3...0,5 мкм) слои в каче-
стве маски. Маскировка алюминием позволяет травить в ГГ мезаобласти высо-
той до 30 мкм. Аминопирокатехиновые смеси позволяют использовать в каче-
стве масок не только диоксид кремния, но и ряд металлов: Al, Ag, Au, Си и др.
Качество вытравливаемого рельефа. Процесс травления крем"
ния оценивают по скорости травления плоскости (100) или (110), качеству по-
Концентрация КОН,г/л
Рис. 9.80. Зависимость скорости трав-
ления кремния и пленки SiO2 от кон-
центрации щелочи при 370...371 К
408
Рис. 9.81, Дефекты на дне (100)
Р-канавки
верхности боковых стенок и дна, угловому и боковому подтравливаниям, кото-
рые зависят от состава травителя, температуры травления и времени. На качест-
во поверхности дна с ориентацией (100) влияют: образование четырехгранных
пирамидок с боковыми гранями (111); образование волнообразной поверхности
(рис. 9.81).
Появление пирамидок обусловлено дефектами на поверхности исходного ма-
териала, которые травятся с меньшей скоростью по сравнению с плоскостью
(100), а также химической реакцией процесса АТ, сопровождающейся образо-
ванием диоксида кремния с последующим ее разложением, что приводит к об-
разованию бугорков. Когда избирательность раствора высокая (например, высо-
кая скорость травления в направлении <100> и низкая в других направлениях),
каждый дефект или загрязнение может стать причиной образования пирамидок.
Боковые стенки V-канавки определяются плоскостями {111} и поэтому будут
гладкими. Пирамидальные бугорки наблюдали и при химическом травлении по-
верхности (100) Si, а не только при АТ. Поверхность (100) с наилучшей мор-
фологией образуется при использовании ультразвукового (УЗ) перемешивания
травителя, состоящего из смеси НР:НКЮз=1:3. По-видимому, УЗ-перемеши-
вание способствует отрыву микровключений от поверхности, что препятствует
формированию пирамидальных бугорков.
Нарушения волнообразного типа на поверхности (100) могут возникать, ког-
да не принимаются меры к предотвращению неоднородности состава травителя.
Это явление имеет место при недостаточном просушивании пластин кремния пе-
ред АТ, а также при плохом перемешивании раствора. Поэтому перед травле-
нием пластины должны быть тщательно очищены и высушены. Для поддержа-
ния постоянства концентрации раствора процесс АТ необходимо проводить в
замкнутой системе, обеспечивающей конденсацию паров, испаряющихся веществ
с последующим их стоком в травитель.
При локальном АТ кремния особо остро стоит вопрос об искажении формы
элементов вытравленного рельефа по отношению к форме элементов на ФШ.
Различают боковое и угловое растравливание заданного рельефа. Уменьшение
растравливания достигается подбором состава травителя, точной ориентацией ри-
сунка относительно выбранного кристаллографического направления, введением
в рисунок углового компенсатора. Для кремния ориентации (100) геометрия ок-
на вытравливаемого рельефа должна быть прямоугольной или квадратной, сто-
роны должны быть ориентированы параллельно или перпендикулярно направле-
нию [ПО]. Для кремния (ПО) рисунок должен быть шестиугольным (ромб, па-
раллелограмм), стороны которого должны располагаться параллельно или под
углом 70° к направлению [111].
При ориентации исходной пластины (ПО) и направлении рисунка изолирую-
щих областей параллельно плоскостям {111} можно получить канавки с верти-
кальными стенками при очень малом растравливании (скорость бокового рас-
травливания не превышает 3% от скорости травления в глубину). Так форми-
руют канавки шириной >1 мкм и глубиной 20 мкм и более.
Разориентация окна в оксидной маске сопровождается увеличением разме-
ра вытравливаемой лунки в подложке Si. Увеличение размера вызывается под-
травливанием кремния под оксидом в окне. Растворение кремния продолжается
до тех пор, пока фронт травления не достигнет ближайших {111} плоскостей,
ограняющих окно. Скорость бокового травления в различных направлениях оце-
нивают коэффициентом подтравливания К\,
равным отношению величины подтравливания
b к глубине травления канавки Н\ К\ — Ь/Н.
Подтрав л ивание углов. Разли-
чают углы внутренние, образуемые при вы-
травливании канавок с прямоугольным про-
филем (угол 90°), и внешние, получаемые при
травлении мезаструктур или в структурах с
изоляцией V-канавками. Растравливания во
внутренних углах в большинстве случаев не
наблюдается, а получение выпуклостей, как
правило, сопровождается завалом прямых уг-
лов, причем форма образующейся мезаструк-
Рис. 9.82. Подтравливание уг-
лов мезаструктуры
409
к2~д/н
Вытравленная Верхняя
область поверхность (100)
Рис. 9.83. Подтравливание выпукло-
го угла под маскирующим покрыти-
ем SiO2
\ '
\
\
\
\
\
\
\
\
\
Край поверхности кремния
\ (линия пересечения
\ с плоскостью (Н2))
\
\ /
18’26
{1'1}
Край оксидной маски
туры (рис. 9.82) зависит от состава
травителя, режима травления и ори-
ентации исходной пластины. Под-
травливание угла может быть из-
мерено как расстояние 6 между сле-
дом получающейся при травлении
плоскости, например плоскости (112),
и параллельной ей линией, проходя-
щей через вершину первоначального
угла, ограниченного пленкой оксида
(рис. 9.83). Поскольку 6 находится
в линейной зависимости от глубины
травления Я, в рассмотрение вводят
нормализованную величину коэффи-
циента углового подтравливания.
Область применения АТ. Анизотропное травление кремния при-
меняют при изготовлении ИС высокой степени интеграции с воздушной и ди-
электрической изоляцией компонентов.
При травлении канавок для диэлектрической изоляции ИС обычно исполь-
зуют рисунок в виде прямоугольников, стороны которых перпендикулярны или
параллельны направлениям <1Ю> на пластинах ориентации (100). В этом слу-
чае достигается минимальное боковое подтравливание Si и максимальная плот-
ность компонентов микрорельефа, определяемая только растравливанием рисун-
ка, т. е. слоя SiO2.
Анизотропное травление позволяет совмещать технологию изготовления по-
левых и биполярных транзисторов на одном кристалле, используя, например,
двухуровневые структуры. Метод АТ обеспечивает возможность в случае двух-
уровневых структур разделять их канавками с наклонными (невертикальными)
стенками, что устраняет разрыв слоя ФР или металлических полосок на сту-
пеньках между двумя уровнями.
Канавки V-образные и трапецеидальные, формируемые с помощью АТ, ши-
роко используются при изготовлении мощных МДП-транзисторов с вертикаль-
ными (рис. 9.84) и горизонтальными (рис. 9.85) каналами, в полевых транзи-
сторах с управляющим р — n-переходом вертикальной конструкции и работаю-
щих в режиме обогащения, в логических ИС и т. д. Метод АТ позволяет из-
готавливать миниатюрные балочные выводы консольного типа (рис. 9.86). Они
состоят из стержней: с тонкими (0,1 мкм) слоями SiO2, покрывающими слой
Si р+-типа толщиной 0,2 мкм; тонким слоем SiO2 на объемном р-кремнии, изо-
лированными от подложки толстой оксидной балкой (0,8 мкм); сформированных
из толстого р-слоя (0,2 мкм); сформированных из толстого слоя SiO2 (0,8 мкм).
Каждый из четырех типов балочных выводов изготавливался шириной 5...40
и длиной 15... 160 мкм. Глубина канавки под балочным выводом определяется
Рис. 9.84. Поперечное сечение струк-
туры мощного МДП-транзистора с
вертикальным каналом
Рис. 9.85. Структура мощного поле-
вого МДП-транзистора с трапеце-
идальной канавкой
410
Рис. 9.86. Балочные выводы
временем травления и в типичных случаях составляет 15...50 мкм. Тонкие ба-
лочные выводы из SiOa, покрытые металлом, использовали в матрицах моду-
ляторов света и в миниатюрных переключателях. Наряду с консольными балоч-
ными выводами могут быть изготовлены двухопорные балочные выводы, состоя-
щие из слоев SiOs и Si р+-типа. Такие выводы могут найти применение в ИС
при изготовлении линий передачи с очень низкой емкостью на длину.
Метод АТ используют для изготовления очень тонких пленок — мембран
(рис. 9.87). Получены тонкие кремниевые мембраны толщиной до 125 нм на пло-
щади до 1 мм2. Тонкие пленки используются в качестве масок в ФШ с высокой
разрешающей способностью в РЛ; для получения подложек при создании сверх-
миниатюрных рисунков в ЭЛЛ; при изготовлении тензодатчиков с высокими
чувствительностью и линейностью. Метод АТ позволяет изготовить высококаче-
ственные дифракционные решетки с субмикронным периодом (порядка 100 нм),
имеющие канавки с четко определенной геометрической формой и почти полно-
стью отражающими стенками. Дифракционные решетки были также использо-
ваны в качестве ответвителей и фильтров в интегральной оптике.
С помощью АТ можно получать в пластине кремния ориентации (100)
сквозные отверстия с контролируемыми размерами. Такие отверстия можно при-
менять для осуществления двустороннего совмещения. Были изготовлены вы-
сокопрецизионные круглые отвер-
стия в тонкой р+-кремниевой мем-
бране для использования в каче-
стве печатающего чернильно-
струйного сопла. Свойство анизо-
тропного травителя позволяет по-
лучать квадратную форму из кру-
га с размером стороны квадрата,
равной диаметру круга. Такой
подход к выбору конфигурации
маски обеспечивает более ровные
края квадратов и лучшую воспро-
изводимость геометрических раз-
меров.
Метод АТ позволяет получать
мезаобласти правильной (квадрат,
f I ksi
'Li___________________>
Мл-7-Ю,3см
Рис. 9.87. Технологическая схема
изготовления тонких кремниевых
мембран
Нанесенный
SiO2
411
прямоугольник и др.) геометрической формы. Это дает возможность изготовлять
многоштыревые электрические соединители для использования при криогенных
температурах; структуры многоканальных матриц, используемых в зарядных уст-
ройствах и оптических приборах.
Анизотропное травление применялось при изготовлении оптических волново-
дов, тонкопленочных разделителей видов колебаний, оптических фильтров. Про-
цесс АТ можно использовать для разделения пластин на кристаллы при группо-
вой технологии. Он позволяет выявлять кристаллографические направления
[ПО] и [112] на кремнии ориентации (111), (100), (ПО). Метод основан на
формировании геометрических фигур, описанных вокруг круга: правильного
шестиугольника для кремния ориентации (111) (рис. 9.88), квадрата для крем-
ния ориентации (100), шестиугольника с неравными сторонами для кремния ори-
ентации (НО). Выявленным кристаллографическим направлением считается реб-
ро геометрической фигуры, описанной вокруг круга, полученной после локаль-
ного анизотропного травления. Способ обеспечивает точность выявленного на-
правления в пределах 0,5°.
Метод АТ можно применять для получения естественных микрошлифов мо-
нокристалла, которые могут быть использованы для исследования объемной ис-
тинной кристаллографической микроструктуры исходного материала, не иска-
женной механической обработкой; для исследования процесса кристаллизации
и градиентов концентрации легирующей и инородной примесей, а также для
оценки некоторых ключевых технологических операций. Например, его можно
использовать в качестве метода обнаружения точечных дефектов (дырок) в ок-
сиде кремния на пластинах с ориентацией (100) и (НО).
Анизотропные травители кремния. Рассмотрим основные АТ, их свойства
и особенности.
Система гидразин (ГГ) N2—вода Н2О. На результаты трав-
ления влияют температура и концентрация раствора (рис. 9.89). Оптималь-
ная температура составляет 373 К. Качество поверхности дна, ограниченного
плоскостью (100), зависит как от температуры, так и от концентрации раствора
(рис. 9.90, 9.91). Для раствора, содержащего равные объемы воды и гидразина,
характерно образование пирамид и волнообразной поверхности дна при любой
температуре травления. При 7 = 373 К уменьшение содержания воды в растворе
приводит к более высокому качеству поверхности дна, а при 30 %-ном и меньшем
ее содержании пирамидок и волнистой поверхности на дне не образуется. Травле-
ние в растворе, содержащем 20% воды и 80% гидразина, при 7 = 373 К вызы-
Рис. 9.88. Пластины кремния на
этапах формирования точной гео-
метрии фигур травления:
Рис. 9.89. Зависимости скорости
травления Si (100) в ГГ от тем-
пературы и состава травителя
412
Рис. 9.90. Коэффициент углового
подтравливания в зависимости от
состава травителя ГГ при двух тем-
пературах
Рис. 9.91. Температурная зависи-
мость коэффициента углового под-
травливания в ГГ
вает образование волнообразной поверхности дна (100). Если травление произ-
водят при комнатной температуре, появляются пирамидки.
Линии пересечения боковых стенок V-канавок с дном (100) становятся бо-
лее прямыми по мере увеличения процентного содержания воды в растворе тра-
вителя, нагретого до 373 К. Гладкие боковые стенки канавок получаются при
Т=373 К в растворе, содержащем 20...50 % воды. Однако полезный диапазон
концентраций для травления V-канавок ограничивается 40%-ным содержанием
воды, так как при использовании раствора с более высоким ее содержанием воз-
можно появление пирамидальных дефектов. При требовании высокого качества
поверхности дна количество воды не должно превышать 30%.
Процентное содержание гидразина в смеси гидразин — вода должно выби-
раться в соответствии с назначением АТ;
при формировании канавок, используемых для изоляции биполярных тран-
зисторов, раствор, который одновременно обеспечивает наилучшее качество боко-
вых стенок, небольшое подтравливание и приемлемый выход годных, должен со-
держать около 65% ГГ. При таких концентрациях типичное значение коэффи-
циента подтравливания К2 составляет примерно 0,25. Такой же диапазон кон-
центраций может быть использован в случае V-МДП-транзисторов, где наиболее
важный параметр — качество боковых стенок с кристаллографической ориентаци-
ей {111};
при изготовлении структур ИС, где необходимо одновременно реализовать
хорошее качество боковых стенок и поверхности дна, наиболее приемлемая кон-
центрация ГГ составляет 70...80%.
При использовании ГГ подтравливание внутренних углов незначительно, а
на внешних углах наблюдается заметное скругление, что связано с травлением
плоскостей.
Травление при 293 К приводит к образованию большого числа пирамидок.
Добавление в раствор катехина также увеличивает их число. Качество дна лун-
ки при травлении в ГГ зависит от чистоты поверхности окна, вскрытого в за-
щитной маске. Если в окнах остался тонкий слой SiO2, травления не происхо-
дит; если остались островки недотравленного окисного слоя, появляется множе-
ство пирамидальных бугорков. Поэтому перед АТ рекомендуется проводить крат-
ковременное (2...5 мин) травление в растворе КОН (350 г/л). После такой
обработки количество бугорков резко уменьшается, и они не препятствуют трав-
лению сквозных отверстий. К преимуществам ГГ следует отнести нераствори-
мость в нем диоксида кремния, что позволяет использовать относительно тонкие
слои SiO2 (0,3...0,5 мкм) в качестве маскирующего покрытия при травлении
сквозных отверстий в пластинах Si толщиной до 500 мкм. Роль защитной мас-
ки также могут выполнять напыленные в вакууме пленки алюминия.
Известно также использование смеси ГГ с водой в отношении 4:1 (Т=
==373 К) при создании V-МДП- и 17-МДП-транзисторов. Травители на основе
413
ГГ представляют собой сильнейший яд, и работа с ними требует большой осто-
рожности.
Система этилендиамин NH2(CH2)2NH2 — п и р о к а т е х и н
СбН4(ОН)2 — вода. Растворы этилендиамин — пирокатехин — вода (ЭПВ) ши-
роко используются в производстве ИС и при изготовлении V-МДП-транзисторов.
Этот травитель менее токсичен, чем ГГ, и в меньшей степени загрязнен ионами
щелочных металлов по сравнению с КОН. Отсутствие последних в составе тра-
вителя делает его предпочтительным для травления V-канавок при изготовлении
V-МДП-транзисторов. Раствор ЭПВ чувствителен к концентрации примеси и ти-
пу проводимости: скорость травления значительно уменьшается при достижении
р+-поверхности раздела. Травитель можно использовать для травления в направ-
лении [ПО], а для увеличения скорости травления в него добавляют ГГ. Не-
обходимым условием контролируемого травления является обеспечение чистой
поверхности. В противном случае из-за наличия на поверхности загрязнений, а
также естественного оксида образуются холмики. Поэтому удаление остаточного
тонкого естественного оксида на поверхности кремния в буферном травителе
необходимо. В критических случаях наиболее управляемый процесс травления
достигался в свежем растворе, содержащем повышенный процент этилендиамина.
Для поддержания постоянства состава раствора травление проводят в замк-
нутой системе с циркуляцией испаряющихся компонентов травителя. Через рас-
твор пропускают (пробулькивают) азот либо аргон, чтобы предотвратить его
окисление и обеспечить хорошее перемешивание. Дополнительное перемешивание
проводилось с помощью магнитной мешалки.
Однородное и контролируемое травление может быть получено с использо-
ванием травителя (объемные доли, %), этилендиамина (Э); пирокатехина (П);
воды (В) =46,4 : 4 : 49,4. Травление проводят при температуре кипения раствора
391 ±1 К в неокисленной атмосфере. Скорости травления для плоскостей {100},
{110} и {111} составляют соответственно 50, 30 и 1 мкм/ч. Скорости травления
термически выращенной пленки SiO2 и химически нанесенного в вакууме Si3N4
15 и 8 нм/ч соответственно. Низкая скорость растворения SiO2 является пре-
имуществом использования ЭПВ-травителей по сравнению с другими анизотроп-
ными травителями, особенно при длительном травлении. Травитель обладает до-
статочной стабильностью, при условии хранения в неокисляющей атмосфере
оказывается пригодным в течение нескольких недель.
Стабильным является и травитель Э : П : В=255 мл : 45 г : 120 мл. Этот рас-
твор при 373 К травит кремний <100> и <111> соответственно со скоростью
1,1 мкм/мин и несколько мкм/ч, a SiO2 — 0,8 нм/мин. Система свободна от эф-
фекта старения, так что после двух недель свободного кипения скорость трав-
ления кремния остается почти такой же, как и в свежеприготовленном тра-
вителе.
При пропускании кислорода через раствор ЭПВ, нагретый до 368 К, осо-
бенно при низком содержании в нем пиразина, наблюдается резкое увеличение
скорости травления и изменение окраски раствора от желтой до красной. Это
связано с присутствием 1,4-бензохинона, образованного при окислении пирокате-
хина с одним из компонентов раствора. С ростом содержания пиразина в пер-
вом травителе проявляются два эффекта: тенденция к образованию осадка и
большая стойкость к воздействию кислорода.
Травитель, стойкий к воздействию кислорода и не дающий осадка, содер-
жит 6 г пиразина на 1 л этилендиамина и имеет состав Э : П : В=7,5 мл: 2,4 г:
2,4 мл. Он используется для травления моно- и поликристаллического кремния
при 323...392 К. Этот травитель обладает высокой скоростью травления 81 мкм/ч
для плоскости (ЮО) и наиболее эффективен при 388 К.
Для травления тонких пленок кремния, где требуется точный контроль за
скоростью травления, рекомендуется травитель, который содержит 6 г пиразина
В 1 л этилендиамина и имеет состав Э : П: В=7,5 мл: 1,2 г: 1 мл. Он является
стойким к окислению и образованию осадка при изменении температуры 388
(скорость травления 45 мкм/ч)...323 К (скорость травления 4,7 мкм/ч). Нали-
чие в растворах ЭПВ пиразина повышает их стойкость к воздействию кислорода.
Скорость травления p+-Si (100) в растворах ЭПВ снижается. При концент-
рации бора 1019 см~3 она сильно падает и практически становится равной нулю
при 7-Ю19 см-3, Слой кремния, сильнолегированный бором, представляет
414
барьер против воздействия анизотропного травителя. Такое свойство обеспечивает
получение очень четкого рельефа и позволяет изготавливать различные струк-
туры, использующие мембраны толщиной 1...10 мкм.
При создании тонких мембран используют травитель состава Э: П: В—
==10:3:8 мл; температура 383 К; скорость травления кремния в направлении
<100> 60...70 мкм/ч. Травитель приблизительно такого же состава используется
при изготовлении балочных выводов.
Растворы ЭПВ являются хорошими анизотропными травителями для моно-
кристаллического кремния, пригодны для выявления дислокаций и макронесо-
вершенств кристалла, используются при травлении поликристаллических слоев
в технологии изготовления ИС.
К недостаткам травителей следует отнести: токсичность; слишком высокие
скорости травления при температурах ^373 К; образование нерастворимых осад-
ков при низких температурах: сложность используемого оборудования. Это ог-
раничивает применение травителей ЭПВ.
Система едкое кали КОН — пропиловый спирт С3Н7ОН
(ПС)—вода Н2О. Введение в азеотропную смесь пропилового спирта и воды
0,01...0,03 моля КОН сопровождается образованием практически одной фазы А
(верхний слой). Объем возникающей при этом фазы Б (нижний слой) на два
порядка меньше объема фазы А. Температура кипения травителя в этом слу-
чае практически соответствует температуре кипения азеотропной смеси, она по-
стоянна в процессе травления и равна 361 К, что, указывает на стабильность
состава травителя. При азеотропном соотношении между ПС и водой 71,7%
(0,43 моля) спирта и 28,3% (0,57 моля) воды наблюдается постоянство скоро-
стей травления во времени при содержании КОН 0,01...0,03 моля. Скорости рас-
творения кремния Ц[юо] и ццц] в режиме травления постоянны и равны соответ-
ственно 1 и 0,019 мкм/мин, т. е. наблюдается соотношение У[юо]/У[1Н] = 50: 1.
Скорость травления SiO2 составляет менее 10 нм/мин. Уменьшение содержания
КОН менее 0,01 моля, при котором в системе еще нет расслоения, снижает
v[ioo] до 0,3 мкм/мин.
Травитель имеет ряд преимуществ: простота обращения с раствором, не-
ограниченный срок хранения, повторяемость результатов при травлении в те-
чение длительного времени после его приготовления. Он нашел применение в про-
изводстве ИС с изоляцией диэлектриком на кремнии, ориентированном в плоско-
сти (100).
Для травления кремния (100) используется анизотропный травитель КОН:
ПС : Н2О (деионизированная) =250 г.: 200 мл : 800 мл. В качестве маски ис-
пользуют в случае мелкого травления при 298 К ФР, для глубокого (>20 мкм)
травления при 353 К SiO2 или Si3N4. Скорость травления в направлении <100>
в 100 раз больше, чем в направлении <111>. Этот травитель растворяет SiO2
со скоростью 2,8 нм/мин и совершенно инертен в отношении Si3N4. Даже через
5 ч травления (353 К) не было замечено подтравливания.
Система едкое кали КОН — изопропиловый спирт (ИПС)
С3Н2ОН — вода Н2О. Оптимизированная система содержит КОН : ИПС : Н2О =
=32 г : 250 мл : 375 мл; температура травления 353+2 К. Это соответствует
1,5 н раствору КОН, взятому в соотношении с ИПС, равном 3 : 2. Скорость трав-
ления Si (100) зависит от концентрации КОН и ИПС. Эта система (ИПС мень-
ше 83%) дает наименьшее боковое травление в направлениях <310> и <210>,
т. е. в меньшей мере изменяет форму углов кристаллов.
Добавка ИПС уменьшает и скорость растворения SiO2. Систему КОН —
МПС — Н2О использовали при изготовлении нагрузочных МДП-транзисторов в
ИС. Температура при травлении составляла 333 К. Отмечается, что понижен-
ная температура позволила устранить неровности на дне (100) V-канавки.
При изготовлении высоковольтного (7-МДП-транзистора применяли трави-
тель КОН : ИПС : Н2О (деионизованная) = 15 г : 50 мл : 100 мл. Скорость травле-
ния кремния в направлении <100> при 353 К составляет 0,11 мкм/мин, а ее
изменение вблизи этой температуры не превышает 4%/град.
При создании дифракционных решеток используют травитель КОН : ИПС:
: Н2О (деионизованная)—4,5 г : 25 мл : 15 мл; температура травления 333 К,
время 45 с.
415
Система едкое кали КОН — изопропиловый спирт С3Н7ОН—
вода Н2О — перекись водорода Н2О2; едкое кали КОН -вода
Н2О — перекись водорода Н2О2. Для улучшения полирующего действия
щелочного травителя в него вводят Н2О2. Составы анизотропных травителей
КОН — С3Н7ОН — Н2О — Н2О2 (А) и КОН —Н2О —Н2О2 (Б) обеспечивают по-
лучение микрорельефа высокого качества на пластинах кремния ориентации (100)
в широком диапазоне глубин травления. Это позволяет уменьшить плотность
дефектов в виде пирамидок с гранями (111) с 104 до 102 см-2. Температура трав-
ления 353±1 К. Введение небольшого количества Н2О2 в травитель заметно сни-
жает скорость травления кремния в направлении < 100>, но практически не ока-
зывает влияния на боковое и угловое растравливание элементов.
Добавка 5 мл 30 %-ной Н2О2 является оптимальной для травителя А. За
оптимальное количество 30 %-ной Н2О2 в системе Б принят объем 2,5 мл. Недо-
статком системы Б является ее повышенная активность в направлении <211>.
Особенно велико угловое подтравливание при получении глубоких микрорельефов.
Эффективность добавки 30<-ной Н2О2 к травителю уменьшается по мере увели-
чения глубины травления, что, по-видимому, связано с разложением Н2О2 при
353 К за время травления порядка 30 мин Этот недостаток может быть устра-
нен путем введения дополнительного количества 30 %-ной Н2О2 непосредственно
в процессе АТ.
При исследовании системы Б было установлено, что при увеличении коли-
чества Н2О2 скорость травления кремния уменьшается (рис. 9.92) и при ее
объеме 35 мл процесс АТ практически прекращается. Скорости травления крем-
ния (100) в травителях А и Б составляют 0,4 и 1,3 мкм/мин соответственно
(табл. 9.19). К особенностям травителя, содержащего Н2О2, следует отнести то,
что травление необходимо вести при перемешивании или встряхивании раствора
для удаления пузырьков воздуха.
Система едкое кали КОН — вода Н2О. Для травления кремния
в направлении <110> применяют раствор (%) КОН: Н2О=33...35:65. Темпе-
ратура травителя 353 К. Кремний в направлении <110> травится в 600 раз
быстрее, чем в направлении <111>. Скорость травления кремния Р[ц0] =
=0,8 мкм/мин, Usio2~3 нм/мин.
Улучшение качества травленной поверхности. В зависи-
мости от режимов травления получают различную по своему характеру поверх-
ность дна лунок травления. В оптимальном режиме поверхность блестящая, ячеи-
стая с небольшим количеством микронеровностей, не превышающих 1 мкм. Для
неоптимальных режимов травления характерна матовая поверхность травления
с большим числом и большей величиной микронеровностей.
Таблица 9.19. Основные показатели процессов АТ микрорельефа глубиной
400 мкм на пластинах кремния КДБ-4,5 с ориентацией (100)
Состав травителя T/gp мкм/мин KSiO2’ мкм/мин Боковое рас- травливание Ь, мкм Угловое ра- стравливание г, мкм Плотность пирамид, 9 см * Максималь- ный размер стороны осно- вания пира- миды, мкм
КОН : С3Н7ОН : Н2О = = 35 г : 250 мл : 375 мл 0,6 3 3,25 19 104 40
КОН : СзН7ОН : Н2О : :Н2О2 (А) =32 г: 250 мл: 375 мл : 5 мл 0,5 2 3,35 21 103 20
КОН : Н2О : Н2О2 (Б) = 1,3 2,1 = 32 г : 375 мл : 2,5 мл Примечание. Используется 30%-ная Н2О2. 3,4 100 ю2 10
416
Рис. 9.92. Зависимость скорости трав-
ления кремния в направлении [100]
от содержания 30 %-ной Н2О2 в тра-
вителях А и Б при 353 К
Рис. 9.93. Форма маскированного эле-
мента ФШ (/) и элемента вытрав-
ленного рельефа (2) при АТ крем-
ния ориентации (100) на глубину
40 мкм и расположении сторон эле-
ментов параллельно [ИО]:
а — угловое растравливание; б — угловая
компенсация
Перед травлением необходима тщательная обработка кипящей смесью
Н2О2 : NH4OH : Н2О= 1 : 1 : 4 в течение 6 мин. Качество травлений поверхности
кремния при выдержке в водном растворе КОН улучшается с повышением кон-
центрации ИПС. Вид поверхности травления зависит от концентрации щелочи.
Зеркально полированное дно без бугорков получается при 373 К и концентрации
КОН 350 г/л (у[юо]=2,6±0,1 мкм/мин). При понижении температуры травления
величина микронеровностей увеличивается. Щелочной травитель 30%-ного раст-
вора КОН по качеству получаемой поверхности и анизотропности травления не
уступает ГГ (температура плавления 378 К).
Для улучшения качества поверхности свежеприготовленные растворы перед
травлением выдерживают не менее суток, а в процессе травления травитель пе-
ремешивают. Перед травлением образцы часто обрабатывают в течение 30 с
в буферном травителе для удаления тончайшего слоя оксида, который может
препятствовать нормальному процессу травления.
Уменьшение растравливания заданного рельефа. При
разделении пластины кремния на квадраты (мезаструктуры) минимальный угол
завала получается при травлении в 22%-ном водном растворе КОН. Для систе-
мы КОН — Н2О уменьшение КОН до 0,013 моля приводит к значительно мень-
шему угловому подтравливанию по сравнению с растворами с большим содер-
жанием КОН.
Форма углов, близкая к прямоугольной, возможна в результате создания ком-
пенсирующего припуска на вершинах элементов ФШ, например, в виде маскиро-
ванного квадрата, центр которого совмещен с вершиной элемента (рис. 9.93).
Для уменьшения растравливания углов, образованных пересечением двух
взаимно перпендикулярных канавок на плоскости (100) в водный раствор КОН
вводят ИПС Он является причиной снижения скорости травления кремния в
направлениях <100>, а также в направлении <211>, по которому происходит
растравливание углов и искажение заданной формы элементов рисунка. Измене-
ние формы углов зависит от содержания ИПС.
Прямоугольную форму элементов рисунка можно сохранить при АТ без
заметного искажения, если стороны элементов расположить под углом 15° к на-
правлению <110>, но при этом будет происходить боковое подтравливание.
Формирование мезаструктур малых размеров при глубине канавок более
10 мкм связано с приданием специальной формы вершинам прямых углов. Бела
изменение формы угла структуры не имеет значения или учтено в рисунке ФШ.
то травление V-образных канавок на плоскости (100) лучше проводить в рас-
творе КОН (300...350 г/л) в кипящей водяной бане. При этом получается ми-
нимальное боковое подтравливание в направлении <110> и максимальная ско-
рость травления в глубину (145 мкм/мин).
27 Заказ № 1270
417
Рис. 9.94. Зависимость скорости травления диоксида кремния от весовой кон-
центрации травителя и температуры для водных растворов КОН (а) и
NaOH (б)
Скорости травления Si и SiO2. Скорость травления кремния в на-
правлении, перпендикулярном поверхности пластины, определяет длительность
операции травления. На рис. 9.94 и 9.95 представлены зависимости скорости
травления SiO2 и SiO2 от температуры процесса травления и от концентрации
используемых травителей.
Для КОН считается оптимальным режим травления: 7=373 К, с=30% мас-
совых долей, а для NaOH: 7=373 К; с=40% массовых долей. Использование
водного раствора едкого кали предпочтительнее в тех случаях, когда необхо-
димо иметь меньшую толщину оксидной пленки на поверхности кремниевой пла-
стины. Более тонкие слои SiO2 можно использовать, снижая температуру травле-
ния. В качестве оптимального с точки зрения одновременного уменьшения вре-
мени травления кремния на заданную глубину и толщины SiO2 рекомендуется
режим: с«30% массовых долей; 7=348 К. Скорость травления Si в направле-
нии <100> от температуры травителя при постоянной концентрации раствора
имеет экспоненциальный характер, причем начиная с температуры 347 К она рез-
ко возрастает.
Влияние времени травления на фигуры травления. При
концентрации раствора КОН 15% массовых долей и ниже малую скорость пере-
мещения по поверхности исходной пластины имеют боковые грани, определяемые
плоскостями {110}, а при 33% массовых долей и выше—боковые грани {100}.
Форма лунки травления видоизменяется по мере травления. В качестве рисун-
ка для локального АТ используют круглое отверстие.
На плоскости (110) наименьшие скорости травления наряду с плоскостью
(111) имеют грани (210), (ПО) или (100). При травлении в растворах травителя
с концентрацией 15% массовых долей и ниже это будут плоскости (210), при
20%—грани (ПО), а при 33% и выше — грани (100).
Рис. 9.95. Зависимости скорости травления кремния (100) от концентрации
травителя и температуры водных растворов КОН (а) и NaOH (б)
418
Глава 10'
Сборка микроэлектронных устройств
10.1. Монтаж кристаллов у плат микросхем в МЭУ
Метод приклейки. Основные требования, предъявляемые к клеевым соеди-
нениям: механическая прочность, высокая адгезионная способность (не менее
2...3 МПа) и стабильность электроизоляционных свойств в интервале рабочих
температур (удельное объемное сопротивление не менее 1014 Ом-см, tg 6^
^НО"3). Кроме того, газовыделения клеевого шва в герметизированных объе-
мах при температурах эксплуатации не должны содержать агрессивные компо-
ненты, вступающие в реакцию с элементами кристалла.
Клей должен обеспечить условия для сравнительно легкого демонтажа на-
весных электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на микросборке. После приготовления клея
требуемые клеящие свойства должны сохраняться в течение всей рабочей сме-
ны, а полимеризация должна происходить при сравнительно низких температу-
рах (не выше 353 К) во избежание повреждения навесных элементов. На поса-
дочное место кристалла клей наносят лопаточкой, шприцем или трафаретной пе-
чатью. Последний способ применяется для крепления кристаллов на коммута-
ционных платах (КП), при этом избирательность нанесения клея сочетается с до-
статочной точностью обеспечения необходимой толщины: (100+20) мкм. Ассор-
тимент применяемых клеев и компаундов (для приклейки) широк, но чаще
всего применяют эпоксиды, полиуретаны, силиконы.
Эпоксидная смола имеет хорошие электрические характеристики, ме-
ханическую стойкость и высокие адгезионные свойства. Применяется в виде двух-
компонентных систем. В качестве отвердителя используются амины. Недостат-
Таблица 10.1. Характеристика клеящих материалов
Значение характеристики
Наименование характеристики
Эпоксиды Силиконы Полиуретаны
Максимальная рабочая тем- 398 573 398
пература, к ТКЛРХ106, к-1 Теплопроводность, Вт/(м-К): 40...90 200...290 100...200
без наполнителя 0,6...0,8 9,6...1,0 0,6...0,8
с наполнителем 0,8...2,2 1,0...2,5
Удельное объемное электри- 1О14...1О16 1О15...1О17 1014...10ie
ческое сопротивление, Ом-см (298 К, влажность 50%) Диэлектрическая проницае. мость (без наполнителя) 3,5...4 3,5 ..4,2 3,5...4,0 100...120
Электрическая прочность 80...90 70...80
(кратковременная) при 296 К, В/мм Угол диэлектрических по- 0,002...0,05 0,001...0,007 0,015...0,07
терь при 296 К и частоте 100 МГц Адсорбция воды за 24 ч, % 0,08...0,15 0,04...0,08 0,02...0,15
Поглощение паров воды при 313 К (при 90%-ной влаж- 2,2...3,6 88... 125 2,8...6,0
ности), 103 (г-мм)/мм2
27*
419
ком является трудность удаления покрытия, что несколько усложняет ремонт
при смене кристалла или другого компонента. Полиуретановый клей применяется
в виде одно- и двухкомпонентных систем. Он более эластичен, имеет больший
коэффициент теплового расширения и легче поддается ремонту. Отвердитель —
толуол-диизоцианат, режим отверждения такой же, как у эпоксидных смол.
Клеевые покрытия на основе силиконовых смол имеют отличительные
диэлектрические характеристики, что делает их особенно пригодными для СВЧ-
диапазона. Высокая эластичность силиконов позволяет удалять их механической
обрезкой. К недостаткам следует отнести высокий температурный коэффициент
расширения (ТКР) и относительно низкую адгезию (табл. 10.1).
Клей КВК-68 рекомендуется для крепления навесных элементов с раз-
мером более 3 мм2. Представляет собой смесь кремнийорганического силоксано-
вого компаунда и пылевидного кварца (кварц вводится для увеличения вязко-
сти). Благодаря своей эластичности клей КВК-68 позволяет проводить (3...4)-
кратный демонтаж и монтаж элементов на одно и то же посадочное место; кро-
ме того, он химически инертен по отношению к материалам, входящим в со-
став микросборок. Основа клея — силиконовый каучук — представляет собой цепь
чередующихся атомов кремния и кислорода:
r R
---- Si ------ О -------- Si ----- О ---------
R R
В полисилоксановом каучуке присоединяемые к атому кремния органические
радикалы — метильные группы СН3. Энергия связи Si — С и Si — О очень
высока (свыше 1236 кДж/моль), поэтому полисилоксаны химически инертны и
выдерживают без деструкции нагревание до 573...623 К. Силоксановый каучук
представляет собой высокомолекулярную жидкость, состоящую из полимерных
частиц, включающих 5000...9000 мономерных звеньев. При введении у-аминопро-
вилтриэтоксилана с тетраэтоксиланом NH2—(СН2)3—Si(OC2H2)3-{- (C2H5O)4Si про-
исходит склеивание силоксана по типу поликонденсации (катализатор входит в
состав поперечной связи). Поскольку и катализатор является силоксаном, проч-
ностные и теплостойкие свойства не ухудшаются.
Клей МК-400 рекомендуется для крепления навесных элементов преиму-
щественно на коммутационные многослойные платы из полиимидной пленки. Он
является модификацией клея К-400, который относится к классу эпоксикремний-
органических, получаемых при совмещении эпоксидных смол с полиорганосилок-
санами типа
R
--- СН ------- СН ------ t---- Si ----- О],
где Я — алкосигруппы СН2О—, С2Н5О—, С3Н7О, образующие блоки-сополимеры,
шверждаемые аминными отвердителями:
---- R
мн --- с
О
R ----
420
Для увеличения адгезии клея К-400 к полиимидной пленке в его состав вво-
дится NH2(CH2)6NHCHSi (ОС2Н5)3. Модифицирующая добавка сшивается с бло-
ком-сополимером без выделения побочных продуктов, в результате чего образу-
ются боковые цепи, оканчивающиеся аминными и имидными группами, имею-
щими сродство с полиимидом.
Клей ВК-9 рекомендуется для крепления навесных элементов размером ме-
нее 3 мм2 и представляет собой композицию, состоящую из эпоксидной смолы
(ЭД-20), отвердителя (ПО-ЗОО) и катализаторов (АГМ-3 и АДЭ-3). Смола
ЭД-20 имеет следующее строение:
[сн — сн ] и
о
причем относительная молекулярная масса ее сравнительно невысока (не более
4500). Отвердитель ПО-ЗОО представляет собой полиимидную смолу
[— r — nh — с — R —] „
II
о
Для крепления теплоотводящих элементов часто применяется компаунд
ЭТК-21, содержащий в качестве наполнителя нитрид бора (основа — смола
ЭЛ-20, полиэфиракрилат, полиэтиленполиамин и стирол).
Основные характеристики клеев приведены в табл. 10.2 и на рис. 10.1.
В процессе приклейки кристаллов микросхем или других ЭРЭ в них воз-
никают внутренние механические напряжения.Если пренебречь деформацией из-
гиба, возникающей при склейке, то оценочная формула для расчета напряже-
ний, возникающих в приклеиваемом элементе, может быть представлена в виде
{^2^2 [ (Д1 — а2) с) 4~ W] +^3^3 [ (Д1—az) (Т — Л*) ] }
Е1 h 1 -f- Е 2h 2+Е з^ з
где а2, ц3 — температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) ма-
териалов кристалла, клея и посадочного места соответственно; Eit E2t Е3 — мо-
дули упругости тех же материалов; Тс—температура стеклования клея; Т —
рабочая температура; W — химическая усадка клея при полимеризации; h[t h2t
h3 — толщины кристалла, клея и платы.
Для клея ВК-9 (Л2= 100 мкм, Е’2=5 ГПа, а2=50-10~6 К-1), используемого
для приклеивания кремниевого кристалла (/ii = 500 мкм) и коварового основания
корпуса (/1з=370 мкм, Е3= 117,6 ГПа, ц3=5-10_6 К-1), значение о лежит в пре-
делах 50...60 МПа.
Теплопроводящие электроизоляционные клеи служат для
отвода тепла от активных элементов. К числу технологических требований, предъ-
являемых к таким клеям относятся: стабильная во времени вязкость, достаточ-
ная жизнеспособность, возможность нанесения на склеиваемые поверхности спо-
Рис. 10.1. Зависимость теплопроводности X
эпоксидного клея от содержания и типа на-
полнителя
421
Таблица 10.2. Пара
Марка клея-компаунда Плотность, г/см3 Предел прочности при разрыве, Удельное электрическое сопротивление Ру, Ом-см Угол диэлек- трических потерь tg8 на частоте 1 МГц
КВК-68 1,2 1,5...2,5 Более 1013 0,0033
МК-400 1,3 0,03...0,1 Более 3-1015 0,017
ВК-9 1,2 13,0 (на сдвиг) Более 1,5-1015 0,039
собом автоматизированного переноса, высокая адгезия к подложкам и полупро-
водниковым кристаллам в определенном интервале температур. Этим требовани-
ям удовлетворяют клеи марок КЖТ-2 и КЖТ-8, представляющие собой компо-
зиции на основе эпоксидных связующих с отвердителями соответственно ангид-
ридного и аминного типов (табл. 10.3). В качестве наполнителей используются
карбиды металлов.
Таблица 10.3. Физико-механические и диэлектрические свойства клеев
Параметр Значение параметра клея
КЖТ-2 КЖТ-8 ВК-9
Жизнеспособность, ч 24 4 2; 5
Режим полимеризации (К/ч) 433/6 353/20 303/24
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 1,5 0,7 ’ 0,9
Прочность клеевых соединений алю- миния при сдвиге, МПа 5,2 5 —
Удельное объемное электрическое со- противление, Ом - м 7-1013 1-1014
Клеевая прослойка между поверхностями соединенных деталей, обладающая
меньшей по сравнению с металлами теплопроводностью, создает сопротивление
тепловому потоку, величина которого зависит от толщины прослойки. Последняя
определяется размером частиц наполнителя, дозировкой и давлением при склеи-
вании. Получение тонкого клеевого шва обеспечирается применением мелко-
дисперсного наполнителя с размером частиц 2...7 мкм.
При автоматизированной сборке микросхем толщина клеевого шва состав-
ляет 40...60 мкм, что создает тепловое сопротивление 7,2 K/Вт, которое увели-
чивается в 1,5 раза, если толщина клеевого шва возрастает до 100... 120 мкм.
Зависимость коэффициента теплопроводности этих клеев от температуры при-
ведена на рис. 10.2.
Важным свойством клеев является ремонтоспособность, которая достигается
резким снижением адгезионной прочности склеиваемых деталей под действием
определенных температур. Для клея КЖТ-8 наблюдается заметное снижение ад-
гезионной прочности уже при температуре 373 К (рис. 10.3). Для КЖТ-2 адгези-
онная прочность практически не изменяется до температуры 543 К. Резкое сни-
жение адгезионной прочности наступает при температуре выше 633 К.
422
метры клеевых соединений
Диэлектриче- ская прони- цаемость S на частоте 1 МГц Электриче- ская проч- , „ кВ ноеть Епр — мм Срок хране- ния состав- ляющих ком- понентов, мес. Жизнеспособ- ность, ч Режим поли- меризации К (ч) Материалы, с которыми недопустимо совместное применение
3,8 19,7 6 0,5... 1 298 (72) Хлоросодержащие угле-
333 (2) водороды, бензин, спирт уайт-
4,2 16,2 6 4 298 353 (48) (4) Ацетон, спирт
3.S 17,9 6—12 3 298 348 (48) (4)
При повышенных температурах удельное объемное электрическое сопротив-
ление клеев уменьшается, причем уменьшение этого параметра значительнее
у клея с аминным отвердителем (рис. 10.4).
При сборке применяются теплопроводные пасты, которые обеспечивают эф-
фективный тепловой контакт между двумя соприкасающимися поверхностями.
К их числу относятся пасты СКК-67 и СК-73 на основе кремнийорганического
каучука и теплопроводного наполнителя, которые обладают вязкостью, позволяю-
Таблица 10.4. Свойства теплопроводных паст
Значение параметра пасты
Параметр
СКК-67 СК-73
Вязкость, Ст, при значении темпера-
туры, К:
298± 10
333
373
Коэффициент теплопроводности,
Вт/(м-К), не менее
Срок хранения, мес.
5,2 5,8
4,8 5,3
4,5 4,9
0,98 1,2
12 12
Рис. 10.2. Зависимость коэффициен-
та теплопроводности от температуры
для клеев с ангидридным (/) и
аминным (2) отвердителями
Рис. 10.3. Зависимость прочности
клеевых соединений алюминия при
сдвиге от температуры для клеев с
ангидридным (7) и аминным (2)
отвердителями
423
293 313 333 353 373 393 7\ К
Рис. 10.4. Зависимость удельного
объемного электрического сопротив-
ления от температуры для клеев
с ангидридным (/) и аминным (2)
отвердителями
щей наносить их на совмещаемые поверхности ровным тонким слоем, и практи-
чески не изменяют свою консистенцию в диапазоне рабочих температур
(табл. 10.4).
Метод пайки. Кристаллы ИС на посадочном месте закрепляются пайкой
легкоплавкими припоями или контактно-реактивной пайкой на основе автектики
Si-Au. В последнем случае на основание корпуса или посадочного места на плате
наносят золотое покрытие толщиной не менее 2,5 мкм. Меньшая толщина золота
приводит к недопустимому уменьшению эвтектического спая, а также к тому,
что на границе эвтектики с материалом подложки (например ковара) появляются
интерметаллические соединения (например, железа и кобальта). Наличие сплава
железо-кобальт вблизи границы раздела и в самой эвтектике может оказать
самое неблагоприятное воздействие на качество эвтектики — происходит охруп-
чивание и даже разрушение соединения.
Оптимальным является соединение Si-Au толщиной 5...7 мкм эвтектического
равномерного спая с содержанием кремния 2,4...2,8% и площадью эвтектики под
кристаллом не менее 70%. Обычно температура такой пайки составляет 683...
723 К, давление на кристалл — около 1 МПа. Для улучшения смачивания паяе-
мой стороны кристалла на нее наносят золотое покрытие с подслоем из никеля,
которое вжигают перед пайкой при температуре 673...693 К. При пайке кристал-
лов больших размеров в зазор дополнительно вводят фольгу из золота толщи-
ной около 20 мкм.
Для создания надежного коллекторного омического контакта полупровод-
ник-металл, обладающего высокой электро- и теплопроводностью, используют
эвтектические припои на основе AuSi, AuGe, так как они имеют высокую электро-
и теплопроводность и позволяют получать достаточно низкие значения теплового
сопротивления Rt.
Для снижения Rt припоем на основе AuSi и AuGe уменьшают толщину
припоя под кристаллом. Но уменьшение толщины припоя более чем на 10...20 мкм
(в зависимости от размера кристалла) приводит не к уменьшению, а, напротив,
к увеличению Rt вследствие резкого снижения качества пайки. Уменьшение
Rt возможно при пайке эвтектикой AlGe, которая может растворяться как в
кремнии, так и в молибденовом компенсаторе. Взаимная растворимость мате-
риалов, используемых при посадке кристаллов в корпус,— необходимое условие
улучшения согласования коэффициентов теплового расширения сопротивления
прибора.
Температура плавления сплава AlGe равна 697 К, сплава AuSi — 643 К.
Выдержка приборов при температуре 673 К в течение 33 ч равноценна выдерж-
ке приборов при температуре 573 К в течение 1000 ч и при 323 К в течение
11...12 ч, что может быть использовано для ускорения испытаний.
Контроль качества соединения полученного с использованием электрического
припоя AlGe, проводят рентгенодефектоскопическими и рентгеноструктурными
методами. Рентгенограммы паяных соединений получают на рентгеноструктурной
установке УРС-0,02, острофокусная труба которой дает возможность при (2—3)-
кратных увеличениях изображения добиться линейного расширения не хуже
100 мкм. Качество пайки оценивается по отношению площади непропаев к общей
площади кристалла. Так, для материалов соединенных деталей Si и Мо были по-
лучены значения отношения площади непропаев к общей площади кристалла
2,25; 2,65 и 4,49%. На соединяемые детали методом термического испарения в
вакууме наносилась одно- или двухслойная металлизация из А1 и Ge в слои А1
(0,5... 1 мкм) и Ge (0,05...0,1 мкм) напылялись последовательно в одном цикле из
разных испарителей. После металлизации пластины разделялись на кристаллы
424
(5x5 мм) и подложки (9X9 мм). Затем кристаллы напаивались на подложку
припоем AlGe при значении температуры (723±10) К в среде азота.
При использовании припоя AlGe понижается тепловое сопротивление на
20...40% (при этом из-за взаимного растворения припоя и материала компен-
сатора граница раздела между ними не имеет четких очертаний) и повышается
мощность рассеяния приборов.
Эвтектическая пайка производится без флюса на воздухе, поэтому для по-
садки кристаллов пайкой применяют вибрационную притирку. За счет разруше-
ния и удаления окисных пленок с поверхностей припоя и соединяемых деталей
прочность паяных соединений повышается в среднем на 30...40%. Для монтажа
кристаллов наибольшего размера (менее 3x3 мм) используются как УЗ-, так
и НЧ-колебания, а для кристаллов больших размеров — в основном НЧ-колеба-
ния с большой амплитудой (до 0,5. .0,8 мм).
В табл. 10.5 приведены режимы бесфлюсовой вибрационной пайки на воз-
духе кремниевых кристаллов на основания корпусов и коммутационные платы.
Таблица 10.5. Режимы безфлюсовой вибрационной пайки
кремниевых кристаллов
Вид пайки Покрытие, мкм Материал прокладки Темпера- тура пай- ки, К Время при- тирки, с Частота колебаний, Гц
на кристалле на посадочном месте
Контакт- но-реак- Без покры- тия Золото (3...9) Отсутствует 683...723 1...5 1...50 или 20...60
тивная Слой золота (1...2) с под- слоем нике- ля (0,03) Золото (3) > 703...723 2...3 1...4
То же » Золото 703...723 1...3 До 50
Легко- плавкими припоя- Золото (1...2) с под- слоем нике- Сплав оло- во-висмут (3...10) ПОС-61 673...483 10...30 50
ми ля ПОС-61 (9...18) Золото (1...2) или сплав олово- висмут (3...10) Отсутствует 673...483 5...20 1...50
При использовании в качестве припоя легкоплавких металлов и сплавов на
тыльную поверхность кристалла обязательно наносят известным способом (ва-
куумное осаждение, электрохимическое покрытие и т. п.) либо слой металла,
хорошо смачивающегося легкоплавким припоем (например, как уже упомина-
лось, золото с подслоем никеля), либо слой легкоплавкого припоя (например,
сплав олово-висмут, сплав ПОС-61). Процесс вибрационной пайки дополняется
иногда процессом лужения обратной металлизированной поверхности кристалла
тем же самым легкоплавким припоем, причем в этом случае иногда применяют
нереакционно-способный флюс типа ФКСП. Введение вибраций в расплав олова
способствует увеличению центров кристаллизации и, следовательно, получению
мелкозернистой структуры. Пайку можно осуществлять припоями на основе
свинца.
Рассмотрим возможные схемы сборки торцевых соединений перед пайкой на
примере соединения кремниевой пластины 1 с медной пластиной 2 (рис. 10.5),
т. е. соединения, характерного для большинства полупроводниковых приборов,
например транзисторов. Припойная прокладка из чистого свинца 3 может вво-
диться в зазор между кремниевой пластиной 1 и медной пластиной 2, покрытой
слоем никеля (рис. 10.6, а). Смачивание кремния свинцом в среде водорода про-
исходит только при температурах 1073...1123 К вследствие легирования жидкого
425
Рис. 10.5. Схемы сборки пластин, не обеспечивающие (а — г) и обеспечиваю-
щие (д— з) заданную толщину шва при пайке в печах с защитной атмосферой:
/—кремниевая пластина; 2 — медная пластина, 3 — свинцовый припой; 4 — пористое ме-
таллическое покрытие; 5 — пористая металлическая прокладка
свинца никелем в процессе пайки. Эта схема сборки требует тщательной очистки
свинцовой прокладки.
Если перед пайкой между пластинами 1, 2 ввести припойную прокладку из
сплава Pt — Ni (рис. 10.5,6), то температура смачивания кремния припоем
снизится до 823...923 К при давлении на соединяемые пластины 5... 10 кПа.
Температуру пайки Si и Си можно снизить до 653...673 К, если в зазор
ввести свинцовую прокладку, покрытую с обеих сторон слоями гальванического
никеля толщиной 1...2 мкм (рис. 10.5, в). Перед покрытием свинцовая прокладка
рбрабатывается в травителе следующего состава: 3...10% Н2О2, 3...10%
СНзСООН, остальное — вода. Значительное снижение температуры смачивания
Si и Си в этом случае связано с удалением окисной пленки со свинцовой про-
кладки, защитой ее никелевым покрытием от окисления в процессе нагрева и
последующим растворением никелевого покрытия в жидком свинце.
На рис. 10.5,г показана схема сборки кремниевой и медной пластин 1 и 2
перед пайкой при наличии капиллярных каналов на поверхности пайки медной
пластины. Сплав Pb-Ni в виде припойной таблетки после расплавления затекает
в зазор между соединяемыми пластинами и смачивает поверхности пайки.
Толщина паяного шва может задаваться толщиной пористого губчатого нике-
левого покрытия 4 (рис. 10.5,6, е), нанесенного на медную пластинку 2. Тол-
щина такого покрытия, полученного, например, методом пульсеризации карбо-
нильного никелевого порошка, может составлять 50...70 мкм и выше.
Смачивание кремния свинцом происходит при 633...653 К за счет активного
растворения пористого никелевого покрытия в жидком свинце. Быстрое насыще-
ние свинца никелем обусловливается сильно развитой поверхностью пористого
покрытия. При сборке по схеме рис. 10.5, д необходима тщательная очистка
свинцовой прокладки от окисных пленок непосредственно перед пайкой, что
усложняет технологический процесс пайки. Однако в схеме рис. 10.5, е очистки
таблетки припоя 3 не требуется. Очистка в этом случае происходит при впитыва-
нии свинцового припоя в пористое покрытие за счет фильтрации его от окисных
пленок и прочих загрязнений.
Паяное соединение кремниевой и медной пластинок с заданной толщиной
паяного шва может быть получено при введении между ними пористой никеле-
вой прокладки 5: пропитываемой в процессе пайки свинцовым припоем
(рис. 10.5, ж, з). Прокладка из свинцового припоя размещена между медной
пластиной 2 и пористой никелевой прокладкой 5 (рис. 10.5,ж). Поэтому в зону
контакта пористой прокладки с поверхностью кремния жидкий свинец поступает
очищенный от окисных пленок после прохождения через капиллярно-пористую
систему никелевой прокладки. В то же время смачивание меди может ухудшать-
ся из-за наличия окисных пленок свинца в зоне контактов пористой прокладки 3
с медной пластинкой 2 (рис. 10.5,ж). Полное смачивание и кремниевой, и мед-
ной пластин достигается при плотном контакте пористой никелевой прокладки
426
с поверхностями пайки по всей площади спая (рис. 10.5, з); для получения плот-
ности контакта требуется приложить давление 5... 10 кПа.
Следует заметить, что давление при описанных схемах сборки способствует
в процессе пайки удалению окисных пленок и обеспечению плотного контакта
припоя с поверхностями пайки, что улучшает смачивание. Фильтрация припоя от
окисных пленок в процессе пайки также улучшает смачивание.
Поэтому наилучшее качество паяных соединений Si с Си заданной толщины
шва при 603...643 К в среде водорода обеспечивают схемы рис. 10.5, е, з.
Чем шире температурный и временной интервалы допустимого контакта
жидкого припоя с паяемой основой, тем выше совместимость этих материалов,
проще разработка технологии и надежнее технологический процесс. Особенно
это важно при разработке технологических процессов поточной пайки в печах
с защитной атмосферой, например водородных, конвейерного типа. В таких пе-
чах длительность контакта жидкого припоя с паяными материалами может ко-
лебаться от нескольких минут до 30 и более. При пайке полупроводников и ме-
таллов свинцовыми припоями температурный и временной интервалы довольно
широкие. Время контакта жидкого припоя с поверхностями Si, Си, Ge при 603...
673 К может колебаться от 1...3 до 10...20 мин. При пайке Mo, W, Ni, Be время
контакта может быть увеличено до 60...90 мин в интервале температур 773...
873 К. Это позволяет осуществлять поточную пайку различных сочетаний метал-
лов и полупроводников в печах конвейерного типа, для чего производится сбор-
ка деталей узлов приборов в кассеты, которые обеспечивают сжатие соединяемых
деталей под необходимым давлением в течение всего процесса пайки. Сжатие
может осуществляться плоскими или спиральными пружинами.
Контроль внутренних напряжений. Свойства соединяемых материалов, тем-
пературные условия формирования соединений и герметические размеры опре-
деляют внутренние механические напряжения, которые могут приводить к раз-
рушению изделия в местах соединений.
Для определения значений внутренних механических напряжений в ситалло-
вых подложках, возникающих в процессе монтажа бескорпусных элементов и
приклейки микросборок на несущие основания, используют метод определения
кривизны подложки с помощью голографической интерферометрии. Интерферо-
граммы сопровождаются координатной сеткой. Любому узлу сетки соответствует
количественная мера — число интерференционных полос между узлом и любой
полосой, принятой за начало отсчета. Матрица числовых значений представляет
собой матрицу деформаций подложек. Данная методика обеспечивает возмож-
ность измерения деформаций по всей последовательности технологических опе-
раций в любой точке поверхности. При определении напряжений в узловых
точках используют общие зависимости между напряжениями и деформациями
в дифференциальной форме:
Ed2 [ д2со д2со \
6 (1 — ц2) \ дх2 + ду2 / ’
Ed2 / д2(о д2со \
Gy 6 (1 — ц2) \ ду2 дх2 / ’
где Е — модуль упругости; d —толщина подложки, ц— коэффициент Пуассона;
Ох и оу—проекции напряжения в точке (х, //); со (х, у)— прогиб подложки в
точке (х, у).
Объектом исследований служили ситалловые подложки толщиной 0,5 мм, на
которые методом групповой пайки с помощью пастообразных припоев микро-
паяльником напаивались конденсаторы типа К* 10-17 ОЖ0.460.107 ТУ третьего
типоразмера. Подложки устанавливались с помощью компаундов ВК-9 и «Вик-
синт К-68» на стеклотекстолитовые платы толщиной 1,5 мм. Перед монтажом
ситалловые подложки металлизировались никелем на толщину 0,3...0,5 мкм. На
полученном слое методом фотолитографии вытравливалась координатная мил-
лиметровая сетка. Чтобы устранить дополнительные механические напряжения,
которые во время металлизации накладывались на интерферограммы и затруд-
няли их расшифровку, перед голографированием все ситалловые подложки под-
вергались отжигу при температуре 513 К в течение 30 мин. Так как на краю
427
Рис. 10.6. Механические напря-
жения в ситалловой подложке
с напаянными микропаяльни-
ком тремя конденсаторами
ситалловых подложек из-за скрайбирования возможны микротрещины и сколы,
наибольший интерес представляет определение напряжений и их влияния на си-
талл. Для этого были проведены следующие эксперименты.
При монтаже с помощью микропаяльника группы конденсаторов типа
К-10-17 на ситалловую подложку расшифровка интерферограмм (рис. 10.6) по-
казывает, что максимальные напряжения (свыше 160 МПа) достигаются в об-
ластях под конденсаторами. Поскольку предел прочности ситалла составляет
200 МПа при механических и климатических испытаниях, когда конструкция
испытывает дополнительные нагрузки, возможно разрушение подложек.
Механические напряжения под конденсаторами при групповой пайке в 2,5...
3 раза меньше по сравнению с напряжениями при пайке микропаяльником
(рис. 10.7). Наклейка собранных микросборок на несущие основания может уве-
личить те напряжения, которые уже возникли при напайке конденсаторов. На-
пряжение в ситалловых подложках, наклеенных компаундом ВК-9, достигает
100...120 МПа.
Для уменьшения механических напряжений в подложках вместо жесткого
компаунда ВК-9 для креплений микросборок следует использовать эластичный
компаунд типа «Виксинт К-68».
На эпюре механических напряжений подложки для склеивания эластичным
компаундом (рис. 10.8) показана четверть подложки, так как полученная интер-
Рис. 10.7. Механические на-
пряжения в ситалловой под-
ложке с напаянными микро-
паяльником (слева) и группо-
вой пайкой (справа) конден-
саторами
Рис. 10.8. Эпюры механических на-
пряжений в ситалловой подложке,
установленной на стеклотекстолито-
вую плату с помощью эластичного
компаунда «Виксинт К-68»
428
ференционная картина симметрична. Напряжения симметрично возрастают по
краям подложки и не превышают 10 МПа.
Проволочные материалы. Электрические соединения в МЭУ мож-
но выполнить тонкими проволоками на основе Au, Al, Ag и т. п. (табл. 10.6—
109).
Таблица 10.6. Размеры круглой проволоки из золота, серебра и их сплавов
(ГОСТ 7222—75), мм
D
\D
0,020; 0,025; 0,030; 0,036; 0,040; 0,045; 0,050 -0,004
0,055; 0,060; 0,070 -0,005
0,080; 0,090; 0,100 -0,007
0,11; 0,12; 0,14 -0,009
0,16; 0,18 -0,010
0,20; 0,22; 0,25; 0,28; 0,30; 0,32; 0,34; 0,36; 0,38; 0,40 -0,02
0,42; 0,45; 0,50; 0,55; 0,60; 0,65; 0,70; 0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95 -0,03
1,00; 0,10; 1,15; 1,20; 1,30; 1,40; 1,50; 1,60; 1,70; 1,80; 1,90 -0,04
2,00; 2,10; 2,20; 2,40; 2,50; 2,60; 2,80 -0,05
3,00; 3,20; 3,40; 3,60; 3,80; 4,00; 4,20; 4,50; 4,80 -0,06
5,00; 5,20; 5,50; 5,80; 6,00; 6,50 -0,07
7,00; 7,50; 8,00; 8,50; 9,00; 9,50; 10,00 -0,08
Примечание. Проволоку диаметром менее 0,05 мм изготавливают только из золота
марок Зл999; Зл999,9 и серебра марок Ср999 и Ср999,9.
Таблица 10.7. Размеры проволоки из золота и серебра (ТУ 48-1-27—80), мм
D Д£> D до
0,13; 0,15 0,17; 0,19; 0,60 -0,009 -0,010 0,70; 0,80; 0,83; 0,96; 1,15 1,20; 1,50 -0,012 -0,020
Таблица 10.8. Масса проволоки из золота, серебра и их сплавов в мотке
или на катушке (ГОСТ 7222—75)
О, мм Масса, г не менее 1 О, мм Масса, г, не менее
нормаль- ная пони- женная нормаль- ная пони- женная
0,02...0,055 1 0,3 0,42... 1,00 50 25,0
0,06...0,10 2 1,0 1,10...2,00 150 70,0
0,11...0,20 5 2,0 2,10... 10,00 300 150,0
0,22...0,40 15 8,0
Для разварки применяют микропроволоку из золота марки Зл999,9. При
создании контактов золотой проволоки с алюминиевыми контактными площад-
ками возможно образование химических соединений типа AlnAum и возникнове-
ние микропористости в месте сварки, особенно в присутствии различных метал-
429
Таблица 10.9. Временное сопротивление ов, МПа, и относительное удлинение
проволоки из золота, серебра и их сплавов (ГОСТ 7222—75)
Марка металла или сплава Проволока
твердая мягкая
Зв ав а
Зл999,9; Зл999 ЗлСрМ583-80 Ср999,9; Ср999 СрМ960 СрМ925 СрМ916 СрМ900 СрМ875 СрПл12 СрПд20 200 120 10 800 450 35 260 160 27 400 250 25 350 250 20 350 250 20 350 250 20 350 250 20 400 200 18 400 250 30
Примечание. Определение механических свойств проводилось на проволоке диамет-
ром 0,8...4,0 м, а для сплавов марок СрПл12 и СрПд20 — на проволоке диаметром
0,04...1,0 мм.
лических примесей и фтор- или углеродов типа фреона, что приводит к отказам
приборов в процессе их эксплуатации. Для повышения стойкости изделий МЭУ
к вибрационным, ударным нагрузкам с большим ускорением используют алю-
миниевую проволоку.
К проводниковой микропроволоке из алюминиевых сплавов предъявляются
требования по содержанию основного легирующего компонента (с массовой до-
лей 1±0,1) и примесей (с массовой долей не более 0,05), предельных отклоне-
ний диаметра (±1...2 мкм) и высокой чистоты поверхности. Для стабилизации
процесса микросварки необходимо соблюдение определенного напряжения про-
волоки при намотке ее на катушки в один слой без ослабления витков и отсут-
ствие петель при свободной размотке проволоки с катушек.
Используют микропроволоку из алюминиево-кремниевого (А999КО9,
АКО9П) и алюминиево-магниевого (АМгО8) сплавов, получаемых на основе
особо чистых компонентов (табл. 10.10). Микропроволока марки А999КО9 имеет
двухфазную мелкодисперсную структуру, а АМгО8 — структуру однородного твер-
дого раствора.
Таблица 10.10. Механические свойства микропроволоки
алюминиевых сплавов
Наименование характеристики Значение характеристики
А999К09 АМгО8 АК09П
Предел прочности, МПа 280...450 >200 200...400
Относительное удлине- ние, % Номинальный диаметр, мкм >0,8 >1 1...4
27...50 30...35 27...5O
430
10.2. Микросварка при монтаже выводов МЭУ
Термокомпрессия. Метод соединения металлов с металлами и неметаллами
микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей. Один из соеди-
няемых материалов (обычно вывод микросхемы) при термокомпрессии должен
обладать достаточно высокой пластичностью. Температура соединения при тер-
мокомпрессии не превышает температуру образования эвтектики соединяемых
материалов и обычно соответствует температуре отпуска или отжига более плас-
тичного металла.
Термокомпрессия обеспечивает сварку мягких высокоэлектропроводных ма-
териалов в виде круглых и плоских проводников с тонкими металлическими плен-
ками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки. Однако термокомп-
рессия ограничена числом сочетаний свариваемых материалов (термокомпрессией
весьма трудно сварить ковар, никелевые и железные сплавы); при этом мате-
риал подложки должен обладать малой чувствительностью к термическому уда-
ру и хорошей адгезией с напыленными пленками (кремний, в том числе окислен-
ный, ситалл или другая керамика). Соединяемые материалы требуют подготовки
путем травления, зачистки, обезжиривания, защиты от окисления и др.
Термокомпрессия классифицируется по трем признакам:
1. Способу нагрева (рис. 10.9). 2. Виды соединения (нахлесточное или
встык). 3. Типу образующегося соединения, обусловленного формой инструмента
(рис. 10.10).
Высокой прочностью обладают соединения, выполненные по схеме рис. 10.10,6.
По схеме сварки (рис. 10.10, а и г) получают соединения с гарантированной
осадкой за счет правильного выбора профиля инструмента и условий деформи-
рования проводника.
Рис. 10.9. Разновидности тёрмокомпрессии в зависимости от способа нагрева:
а — нагрев только рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в — одновремен-
ный нагрев рабочего столика и инструмента;
1 — рабочий инструмент (пуансон); 2 — присоединяемый проводник; 3 — подложка или
кристалл полупроводникового прибора, 4 — рабочий столик; 5 — спираль для нагрева
Рис. 10.10. Основные виды термокомпрессионных соединений:
а — соединение в виде плоской сварной точки (термокомпрессия клином); б — соедине-
ние всех (термокомпрессия капилляром с образованием шарика); в — соединение с реб-
ром жесткости (термокомпрессия инструментом с канавкой); г — соединение типа «рыбий
глаз» (термокомпрессия инструментом с выступом): /—инструмент; 2 — проволока;
3 — подложка
431
Основные параметры термокомпрессионной сварки с использованием стати-
ческого нагрева: усилие сжатия (давление Р), температура нагрева соединения
или инструмента Г, длительность выдержки под давлением t (табл. 10.11). Зна-
чение давления выбирается в зависимости от механических свойств присоединяе-
мого проводника и прибора. Температура нагрева не должна превышать темпе-
ратуру образования эвтектики соединяемых материалов. Длительность выдержки
устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и опреде-
ляется экспериментально путем оценки прочности соединений.
Таблица 10.11. Параметры термокомпрессионной сварки различных
сочетаний материалов
Материал полупроводника или тонкой пленки Значение параметра режима
Г, К Р.МПа с
Проводник — золото
Кремний 623...653 0,6...1 2...10
Германий 573...623 0,6... 1 1...5
Алюминий, напыленный 523...643 0.6...1 0,05...2
на SiC>2 Золото, напыленное на SiO2 523...643 0,6...1 0,05...2
Проводник — алюминий
Кремний 673...723 0,4...0,7 До 30
Германий 573...673 0,4...0,7 До 30
Алюминий, напыленный 573...673 0,4...0,7 0,2...1,0
на SiO2 Золото, напыленное на SiO2 523...643 0,2...1,0
0,4...0,7
Примечание. Приведенные значения являются ориентировочными. Для конкретных
условий их следует уточнять на технологических образцах с контролем прочности соеди-
нений.
Качество соединений определяется правильным выбором геометрии и раз-
меров соединения, а также материала инструмента. При выполнении нахлесточ-
ных соединений их размеры должны отвечать следующим требованиям: длина
деформированного участка проволоки должна быть не менее двух ее диаметров;
у соединений допустимо образование «хвостов» длиной, не превышающей 1...1.5
диаметра проволоки; для соединений, выполняемых краем капиллярного нако-
нечника, длина сварной точки также должна быть равна 1,5...2 диаметрам про-
волоки. Минимальный размер контактной площадки на приборе должен быть
больше диаметра сварной точки на величину точности совмещения инструмента
и проволоки с контактной площадкой, если не допускается деформирование про-
волоки на слое окисла кремния.
Значение деформации проводника может меняться в пределах 40...80% (по
ширине сварной точки) в зависимости от условий деформации и формы торца
рабочего инструмента.
Материал и качество обработки рабочего инструмента должны обеспечивать
низкую склонность к схватыванию со свариваемыми материалами. Наименьшую
склонность к схватыванию при сварке золотой проволоки имеет инструмент, из-
готовленный из твердых сплавов (карбиды вольфрама и титана) и керамики
(окись бериллия, алюмокерамика). При сварке алюминиевой проволоки наимень-
шим схватыванием обладают окись бериллия, а также твердые сплавы и стали
с поверхностным легированием бором.
432
28 Заказ № 1270
Таблица 10.12, Характеристики установок для термокомпрессии
Значение характеристики установки
Наименование характеристики Контакт-1А Контакт-2А ЭМ-422 ЭМ-422А ЭМ-421А ЭМ-439А
Тип рабочего инструмента Диаметр присоединяемого про- водника, мкм Клин ИЗ сапфира 20... 100 «Птичий клюв» 40...80 Сменный 25...60 8...25 Сменный 25...60 8...25 Сменный 25...60 8...25 Сменный 25...60 8...25
Минимальный размер контакт- ной площадки, мкм 30X30 16X15 — — — —
Длительность сварки, с 0,2...30 1...60 1...20 0,4...3,6 0,08...3,6 0,4...3,6
Температура нагрева рабочей зоны, К 293...773 373...773 623...673 623...673 373...673 298...673
Диапазон усилий, Н Погрешность поддержания уси- лия, мН 0,1...1,5 10...15 0,5...1,5 5...15 0.3...6 1...12 0,3...6 1...12 0.3...6 1...12 0.15...1
Погрешность поддержания ра- бочей температуры, К — ±5 ±5 ±(5...1О) (до 523) ±5
Температура инструмента, К — — 393...573 393...573 393...573 393...573
Погрешность поддержания тем- пературы инструмента, К — —- ±10 ±10 ±10 ±10
Рис. 10.11. Схема сварки давлением с кос-
венным импульсным нагревом V-образным
инструментом:
1 — рабочий столик; 2 — керамическая подложка
или полупроводниковый кристалл; 3 — провод-
ник; 4 — V-образный инструмент (пуансон);
5 — головка для крепления инструмента и со-
здания усилия сжатия; 6 — источник питания;
7 — реле времени
Установки термокомпрессионной сварки состоят из столика с подогревом,
механизма для создания давления; рабочего инструмента; механизма подачи и
обрезки проволоки; микроманипулятора, системы наблюдения, блоков питания
и управления. Температура нагрева столика регулируется от 373 до 773 К. В зо-
ну сварки подается инертный газ (азот или аргон). Характеристики установок
для термокомпрессии представлены в табл. 10.12.
Для тонкопленочных узлов применяют термокомпрессионные установки с со-
вместным нагревом столика и инструмента серии ЭМ-421. Для подачи проволоки
к месту сварки установки термокомпрессионной сварки комплектуются механиз-
мом подачи проволоки. Установки ЭМ-422 и ЭМ-422А обеспечивают сварку вна-
хлестку с переменной деформацией соединения за счет наклона рабочего торца
инструмента. В установке ЭМ-439А присоединение проволочного вывода к плен-
ке выполняется оплавленным шариком встык.
Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН). Является
разновидностью способа сварки давлением с подогревом. В этом способе инст-
румент (пуансон) импульсно нагревается проходящим по нему током. Кратковре-
менность нагрева металлического проводника в месте контакта обеспечивает на-
грев до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это позволяет
приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким
пленкам на керамических подложках (рис. 10.11).
При сварке V-образным инструментом под необходимым давлением приво-
дятся в соприкосновение инструмент, металлический проводник и подложка или
полупроводниковый кристалл ИС. Затем через инструмент пропускается им-
пульс тока определенной длительности (от 0,01 до нескольких секунд). Торцевая
часть инструмента нагревается до определенной температуры и за счет теплопе-
редачи осуществляется локальный нагрев проводника и подложки. Когда про-
водник достигает температуры, при которой сопротивление деформации значи-
тельно уменьшается, под действием приложенного усилия сжатия произойдет
осадка проводника и образуется соединение.
Максимальную температуру в любой точке подложки, при сварке можно с
достаточной степенью точности оценить по формуле
г 1га ________Q I _ А _ А)
юах ) сРпл(2лг73)3/2еХЧ а 3 )’
где г — расстояние от любой точки подложки до точечного источника тепла; с —
теплоемкость подложки; а=%/срПл — коэффициент температуропроводности; Q=
= 0,24£7Лт] — выделенная теплота при сварочном импульсе; U, /, t, т) — напря-
жение, ток, длительность, КПД сварочного импульса; 6 = а[с-1]/срПл6 — коэффи-
циент, учитывающий теплоотдачу; а — коэффициент полной теплоотдачи; 6 —
толщина подложки.
Методом СКИН соединяют золотые, алюминиевые и медные проводники диа-
метром 20... 100 мкм с разнообразными пленками, напыленными на диэлектриче-
ские или полупроводниковые подложки (табл. 10.13, 10.14).
Для снижения напряжений в зоне соединения при сварке материалов, чув-
ствительных к термическому удару, сварку V-образным инструментом выполняют
при общем сопутствующем подогреве свариваемых деталей.
При СКИН наблюдается рост прочности соединений начиная с деформации
40%. Быстрый рост прочности наблюдается в том случае, когда в процессе об-
разования соединения интенсифицируется пластическая деформация. Возможные
434
Таблица 10.13. Оптимальные режимы СКИН для некоторых сочетаний
свариваемых материалов
Сочетание материалов Значение параметров процессов Опти-
Проводник ’ (диаметр, мкм) Пленка на ситалле гк, к Р, МПа с маль- ная де- форма- ция, %
Ли (24...80) Al (30...100) Си (30...80) Au, А1, Си, Ni Au, А1, Аи, Си, Ni 573...823 0,8...1,4 0,1...0,5 623...823 0,3...0,8 0,1...0,5 673...923 1,5...2 0,1...1,0 50...60 60...70 55...65
кинетические кривые осадки, температуры и давления при статическом и дина-
мическом нагружениях в процессе СКИН приведены на рис. 10.12. Динамическое
нагружение можно создать электромагнитным механизмом сжатия.
Температура нагрева инструмента (зоны сварного контакта) является ос-
новным параметром при СКИН. Нагрев инструмента и поддержание постоянной
температуры в зоне соединения при разных условиях теплоотдачи обеспечива-
ются применением обратной связи по температуре нагрева инструмента или зо-
ны соединения (рис. 10.13).
Малые погрешность поддержания температуры нагрева (±2%) и инерцион-
ность обеспечиваются при нагреве инструмента импульсным током с частотой
следования импульсов 0,5... 1,5 кГц. Размер инструмента задают таким, чтобы
до необходимой температуры нагревалась только рабочая часть, которая контак-
тирует со свариваемыми элементами.
Контактная сварка. При точечной контактной сварке соединение элементов
происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих
электрический ток и передающих усилие сжатия.
При односторонней контактной сварке (рис. 10.14, а) один электрод прижи-
мает проволоку или ленту к контактной площадке, а второй электрод устанав-
ливается вблизи со свариваемой верхней деталью на контактную площадку.
Рис. 10.12. Характер изменения температуры сварного контакта Т, давления
Рсз и осадки проводника h при статическом (а) и динамическом (б) нагру-
жениях:
tK — время до включения импульса тока после опускания инструмента на проводник;
/Ох “ время от момента прекращения импульса нагрева до подъема инструмента (дли-
тельность охлаждения)
Рис. 10.13. Термические циклы на-
грева и охлаждения инструмента без
автоподстройки (штриховая линия)
и с автоподстройкой (сплошная ли-
ния) по температуре, измеряемой
термопарой (ГсТ — температура ста-
билизации)
28*
435
Таблица 1014. Характеристики установок для
I Значение характери
Наименование характеристики Контакт-ЗА СКИН-1 МКС-0’2
Производительность (чи- сло операций в час) Диаметр проводников, мкм Длительность импульса, с Усилие на инструмент, Н Режим работы 160...250 250 500 20...100 30...100 20...200 0,02...2,0 0,05...3,0 0,005... 1,5 0,3... 1,5 0,3...5 0,3...5 Ручной Ручной Ручной
Этот способ применяется для сварки весьма тонких проводников (круглых и
плоских) с относительно толстым материалом и для сварки проводников с элект-
роосажденными пленками толщиной более 20 мкм.
Для сварки навесных элементов с круглыми и плоскими выводами к тонким
пленкам на хрупких подложках и к печатному монтажу применяется контактная
сварка сдвоенным электродом (рис. 10.14,6) и сварка строенным электродом
трехфазным током (рис. 10.14, в). При односторонней сварке сдвоенным или
строенным электродом электроды устанавливают на верхнюю привариваемую
деталь (проволоку, ленту) и прижимают к нижней детали. При пропускании
электрического тока происходит в основном разогрев верхней детали, а сварка
может произойти как под электродами, так и в зазоре. В зависимости от раз-
меров свариваемых проводников и требований, предъявляемых к соединениям,
зазор между электродами может составлять 10 мкм...1 мм. Таким способом при-
варивают проводники диаметром 20...250 мкм к разнообразным тонким пленкам.
При нагреве трехфазным током распределение тока по сечению происходит
более равномерно, чем при однофазном. Это обеспечивает нагрев проводника до
температуры сварки при меньшей удельной мощности импульса, что уменьшает
резкий перегрев материала проводника в межэлектродных зазорах, т. е. процесс
сварки становится более устойчивым, чем процесс сварки сдвоенным элект-
родом.
При односторонней контактной сварке в воспроизводимости процесса важную
роль играют контактное сопротивление между электродами и проводником /?к
Рис. 10.14. Основные способы односторонней контактной сварки микросхем:
а — односторонняя контактная сварка:
1 — электрод для сжатия свариваемых деталей и подвода тока к проволоке; 2 — элек-
трод для подвода тока к контактной площадке платы (подложки); 3 — контактная площадка
или шина печатной платы; 4 — диэлектрическое основание; 5 — привариваемая проволока
или лента; б — контактная сварка сдвоенным электродом (с параллельным зазором):
1 — сдвоенный электрод; 2 — привариваемый проводник; 3 — тонкая металлическая плен-
ка; 4 — диэлектрическая подложка’
в — односторонняя контактная сварка строенным электродом трехфазным током; СТ — сва-
рочный трансформатор
436
сварки косвенным импульсным нагревом (СКИН)
стики установки
УСТ-01 ЭМ-408А ЭМ-425А ЭМ-440 ЭМ-441 МС-ЗР2-2
900 700 800 2000 1600 600
30...50 20...60 20...60 30...60 30...60 40...150
0.001...1.01 0,1...2 Полуавто- матический 0,01...1,0 0,2...2,5 Ручной 0,02...0,8 0,2...0,5 Полуавто- матический 0,05...0,8 0,1...1,2 Автомати- ческий 0,05...0,08 0,1...1,2 Полуавто- матический 0,01...1,0 1...40 Ручной
и сопротивление проводника в зазоре между электродами R3, от которых зави-
сит температура в зоне контакта Тк и в зазоре Т3. Температура в контакте при-
вариваемого проводника с пленкой Гсв достигается в основном за счет теплопе-
редачи от этих источников тепла. Процесс сварки необходимо осуществлять та-
ким образом, чтобы разница между температурами Гк, Т3 и Тсз была мини-
мальной.
Результаты свариваемости материалов при определенных сочетаниях мате-
риалов и типоразмеров элементов приведены в табл. 10.15.
Таблица 10.15. Свариваемость материалов и типоразмеры элементов
микросхем при односторонней контактной сварке
Материал проводника
Материал контактной площадки и подложки А о о ч о со Медь без покрытия Медь серебряная или луженая Никель । Ковар золоче- ный 3 <0,15
° о” VV 'Зю Ад d < 0,15; 6 < 0,12 d > 0,15; 5 >0,12 i d <0,1 5 < 0,1 <Z>O,1; г >0,1
Медь, стеклотекстолит (6 = 0,01...0,05) 4-4- + — + + 4- — — 4-
Медь луженая, стек- лотекстолит 4-4- 4- + + + 4-4- + + 4-4-
Медь серебряная, стеклотекстолит 4-4- 4-4- + + + 4- + + +
Никель золоченый, стеклотекстолит (6 = = 0,05...0,1) 4-4- +4- + + + 4- + + 4-
Серебро вожженое (ситалл) (6=0,05... ...0,15) 4-4- 4- — + + — — — 4-
Золото, ситалл (6 = = 0,001...0,02) +4- 4-4- — — — — 4-
Обозначения: хорошая свариваемость, + удовлетворительная, — неудовлетво-
рительная; 6 — толщина контактной площадки или проводника, мм; d— диаметр провод-
ника, мм.
Ультразвуковая (УЗ) сварка. Это соединение металлов в твердом состоя-
нии за счет возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний УЗ-частоты
при одновременном создании определенного давления.
437
При УЗ-сварке необходимые условия для образования соединения созда-
ются в результате механических колебаний УЗ-преобразователя. Энергия вибра-
ции создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении
предела упругости соединяемых материалов происходит пластическая деформа-
ция в зоне их соприкосновения. В результате пластической деформации и дис-
пергирующего действия УЗ удаляются адсорбированные пленки жидкости,
зы, органические пленки и поверхностные окислы, в результате чего образуется
сварное соединение.
В процессе деформирования происходит увеличение площади непосредствен-
ного контакта, что обеспечивает получение прочного соединения.
Процесс УЗ-микросварки круглых проводников к плоским поверхностям со-
стоит из нескольких последовательно протекающих стадий (рис. 10.15):
I. Внедрение сварочного инструмента в проводник, разрушение окисных и
адсорбированных пленок, образование физического контакта и развитие очагов
схватывания на первоначальной площади контакта.
Эта стадия характеризуется интенсивным скольжением проводника по по-
верхности нижней детали, что приводит к высокому темпу роста темпе-
ратуры Т. Стадия характеризуется быстрым увеличением скорости деформации
Уд, незначительным ростом общей SK и фактической 5ф площадей контакта, не-
большим упрочнением соединения а и изменением микротвердости в зоне кон-
такта Н
II. Интенсивное пластическое деформирование проводника, рост площади
фактического контакта и прочности соединения, зарождение центров рекристалли-
зации на плоскости раздела. Стадия характеризуется замедлением темпа роста
температуры, примерно постоянной скоростью деформации и снижением микро-
твердости.
III. Развитие площади зоны взаимодействия
при незначительном росте общей (контурной)
площади контакта за счет «залечивания» зон «не-
провара». Прочность сварного соединения дости-
гает максимального значения. Стадия характери-
зуется некоторым снижением температуры, раз-
витием рекристаллизованных и релаксационных
процессов, снижением скорости деформации и не-
значительно возрастающей микротвердостью.
При правильно подобранной длительности про-
цесса сварка должна прекращаться на этой
стадии /Св опт.
IV. Развитие усталостных процессов в зоне
сварного соединения, снижение прочности соеди-
нения из-за частичного разрушения зон схваты-
Рис. 10.15. Характер изме-
нения основных характери-
стик соединения по стади-
ям УЗ-сварки круглого про-
водника с плоской поверх-
ностью
Рис. 10.16. Ультразвуковая колебательная систе-
ма с боковым сварочным выступом на конден-
саторе упругих колебаний:
1 — преобразователь (двигатель); 2 — волновод; 3—
концентратор продольных колебаний; 3' — сварочный
выступ; 4 — свариваемые детали; 5 — ультразвуковая
опора-отражатель; 6 — эпюра смещений (амплитуда)
вдоль колебательной системы; 7 — акустическая раз-
вязка; Qo — сжимающее сварочное усилие
438
ванйя (уменьшения площади взаимодействия) и чрезмерной деформации про-
водника. Стадия характеризуется проскальзыванием инструмента по поверхности
проводника, практически не изменяющейся температурой, близкой к нулю ско-
ростью деформации и незначительным возрастанием микротвердости.
Нестабильность механических свойств соединяемых материалов и состояние
поверхности, а также некоторая неопределенность передачи УЗ-колебаний в зо-
ну соединения приводят к изменению длительности каждой из стадий от одной
сварной точки к другой. Применяют автоматическое регулирование или програм-
мирование процесса сварки.
Микросварочное оборудование для УЗ-сварки содержит УЗ-колебательную
систему, построенную по типовой структуре: источник упругих колебаний (пре-
образователь), волновод продольных (либо крутильных) колебаний, концент-
ратор, инструмент, акустическая развязка для крепления. Вход колебательной
системы — преобразователь, который возбуждается генератором высокой частоты
Выход колебательной системы — инструмент, который возбуждает УЗ-колебания
в свариваемых деталях. Для микросварки применяют три основных вида коле-
бательных систем, генерирующих УЗ-колебания: продольные, поперечные (изгиб-
ные), крутильные.
Колебательной системе с продольными колебаниями (рис. 10.16) присуща не-
которая неустойчивость работы при создании больших усилий, при УЗ-сварке
толщин материалов более 0,5 мм. При больших усилиях в концентраторе могут
возникать изгибные волны и связанные с ними вертикальные колебания в зоне
сварки, которые способствуют повышению деформации сварного соединения. Ра-
бочая частота этих колебательных систем в пределах 18...25 мГц. Сварочные ма-
шины, колебательные системы которых выполнены по этой схеме, используются
для получения точечных, точечно-шовных, Кольцовых и замкнутых соединений
при сварке элементов МЭУ. Ультразвуковые колебания могут быть направлены
перпендикулярно свариваемым поверхностям, а также быть продольно-попереч-
ными с частотами 44; 66; 88 кГц, инструмент при этом совершает изгибные
колебания.
Для УЗ-сварки используют также сварочные машины с крутильными коле-
бательными системами. Передача инструменту момента крутильных колебаний
осуществляется от двух или нескольких преобразователей с одинаковой резонанс-
ной частотой (рис. 10.17).
Температура нагрева при УЗ-сварке в зоне
контакта обычно не превышает 0,3...0,5 от тем- I
пературы плавления соединяемых материалов.
Поэтому метод используют для соединения чув-
ствительных к нагреву материалов.
Применяют также УЗ-сварку, совмещенную
с косвенным импульсным нагревом. Свариваемые
элементы подвергаются воздействию УЗ-колеба-
ний и нагрева одновременно или в определенной
последовательности (рис. 10.18). Рабочий инст-
румент закреплен на рабочем конце волновода
колебательной системы и совершает колебания по
схеме торможения продольно-колеблющегося вол-
новода.
Сварочный инструмент небольшим усилием
прижимается к свариваемым деталям. Затем че-
рез инструмент пропускается импульс тока, про-
изводящий нагрев инструмента, и одновременно
(или с некоторым опережением либо запаздыва-
Рис. 10.17. Ультразвуковая колебательная систе-
ма для получения крутильных колебаний инстру-
мента:
1 — ультразвуковые преобразователи с концентратора-
ми (два либо три-четыре); 2 — волновод крутильных
колебаний; 3 — ультразвуковой инструмент; 4 — свари-
ваемые детали; 5 — опора-отражатель крутильных коле-
баний; I...IV — номера преобразователей
439
Рис. 10.18. Схема устройства для
ультразвуковой сварки с косвенным
импульсным нагревом:
1 — магнитострикционный преобразователь;
2 — волновод; 3 — сварочный инструмент;
4 — источник питания для нагрева сва-
рочного инструмента
Длительность процесса
Рис. 10.19. Один из возможных цик-
лов ультразвуковой сварки с косвен-
ным импульсным нагревом:
/см — время смещения импульсов, rv3 —
время действия УЗ-колебаний; tn — время
нагрева
Таблица 10.16. Свариваемость некоторых материалов
ультразвуковой микросваркой
Материал пленок и подложек Материал микропроводов
Au AJ Си
Золото с подслоем нихрома на си- + + + +
талле Алюминий на стекле + + + —
Алюминий на кремнии или на + + + + + —
окиси кремния Медь с подслоем нихрома на си- + + + +
талле Тантал на ситалле + + + —
Золото на коваре + + + +
Обозначения: Свариваются очень хорошо ( + + + ), хорошо ( + + ), удовлетворитель-
но ( + ), плохо ( —).
Таблица 10.17. Характеристика установок для
Значение характе
Наименование характеристики МС-41П2-1
Контакт-4А УЗП-ОЗ
Производительность, ч-1 200...350 1700 800
Диаметр выводов, мкм 20...100 20...50 —
Рабочая частота, кГц 60 75 66
Длительность имлульса УЗ, с 0,05... 1,5 — —
Усилие на инструмент, Н 0,2...1,8 — 0,2...2,5
Температура нагрева столика, К 273...723 523 523
440
нием) включаются УЗ-колебания. Энергия и длительность каждого импульса
могут регулироваться раздельно в широких пределах, что позволяет сваривать
материалы с различными физико-химическими свойствами.
Включение УЗ-колебаний должно осуществляться или до импульса нагрева
(при проводнике из пластичного материала), или в начале нагрева (рис. 10.19).
Основные параметры процесса УЗ-микросварки: амплитуда колебаний рабо-
чего торца инструмента, которая зависит от электрической мощности преобра-
зователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия
свариваемых элементов; длительность включения УЗ-колебаний.
При комбинированных методах сварки регулируемые параметры: темпера-
тура нагрева инструмента или изделия; время относительного смещения УЗ
и нагрева.
Процесс УЗ-микросварки характеризуется малыми амплитудами смещения
и относительно большими давлениями.
Мощность, выделяемая в зоне контакта при УЗ-сварке:
Р=0,5(о2Х12/?н,
где — круговая частота (f — циклическая частота); Xi— амплитуда сме-
щения торца сварочного инструмента; 7?н=/:трА/л2/‘Х1, где N— усилие сжатия,
1?н — приведенное активное механическое сопротивление нагрузки, fTP — коэффи-
циент трения.
Обычно УЗ-микросварка проводится на частоте 66 кГц. Оценка свариваемо-
сти некоторых сочетаний материалов УЗ-микросваркой приведена в табл. 10.16.
Характеристика установок для УЗ-микросварки с косвенным подогревом дана
в табл. 10.17.
10.3. Рабочий инструмент для микросварки
Материал рабочего инструмента должен обладать низкой теплопроводностью
(при непрерывном нагреве), высокой износостойкостью при температурах до
773К, высокой прочностью при периодическом нагреве и охлаждении и одно-
временном воздействии резких изменений механических нагрузок (сварочного
усилия), отсутствием схватывания со свариваемыми деталями. В качестве ма-
териала рабочего инструмента применяются синтетический корунд (для кли-
новидного инструмента), твердые сплавы ВК-6М, ВК-15 и керамика А120з (для
капилляров).
Геометрия рабочей части инструмента влияет на характер распределения
контактных напряжений на контактируемых поверхностях, влияя тем самым на
процесс развития сварного соединения, и определяет конструктивную прочность
сварного соединения проводников с контактными площадками прибора. При кон-
тактной сварке форма торца определяет характер нагрева проводника прохо-
дящим током контактного сопротивления.
При термокомпрессионной сварке соединения выполняются двумя способа-
ми: внахлестку и встык (рис. 10.20). При сварке внахлестку проволочный вывод
ультразвуковой сварки с косвенным подогревом
ристики установки
МС-41ПЗ-2 МС-41ПЗ-3 МС-41ПЗ-4 ЭМ-424А УЗСКН-1 сМ-420А
1000 1000...1200 1000...1200 800 250 600 — — — 25...60 30...100 25..60 66 66 66 66±6 44 60 — — — 0,06...3,0 0,1...1,6 0,08...1,0 0,2...2,5 0,2...1,5 0,2...1,5 0,3...6 О,25...1О 0,3...6 523 323...523 323...523 293...523 — — ——
441
Рис. 10.20. Конструкция сварных соединений внахлестку (а) и встык (б)
накладывают на металлизированную контактную площадку (при этом ось вы-
вода располагают параллельно плоскости контактной площадки). При сварке
встык конец проволочного вывода (ось вывода перпендикулярна плоскости кон-
тактной площадки) предварительно оплавляют, образуя шарик с диаметром, рав-
ным удвоенному диаметру привариваемого проводника. Прочность сварных со-
единений, выполненных встык, значительно выше прочности соединений внахлест-
ку и равна при оптимальных параметрах режима процесса сварки прочности
привариваемого проводника.
Шарик оплавляют на конце привариваемой проволоки водородным пламенем
или дуговым разрядом (рис. 10.21). Проволоку пропускают через капилляр из
стекла или карбида вольфрама, а ее конец оплавляют шарообразно при помо-
щи пламени водородной горелки длиной в несколько миллиметров. Затем опу-
скают капилляр на соответствующую контактную площадку кристалла. Шар
под давлением деформируется и принимает форму шляпки гвоздя. При этом
нижняя поверхность шара при нагреве подложки образует сварное соединение
с материалом контактной площадки. После сварки капилляр снимается, дви-
жется вдоль золотой проволоки и устанавливается на вывод корпуса. После
Рис. 10.21. Разновидности термокомпрессионной сварки:
а — шариком; б — клином; в —сшиванием; г — «птичьим клювом»;
1 — электродная проволока; 2 — зажимное устройство; 3 — капилляр; 4 — водородная го-
релка; 5 — шарик; 6 — электродный вывод; 7 — кристалл; 8 — контактная площадка;
9 — корпус (подложка); 10 — соединение в плане; // — клин; 12 — ножницы; 13 — «пти-
чий клюв»
442
Рис. 10.22. Конструкции инструмента для термокомпрессионной сварки:
а — игла-пуансон; б — капилляр с центральным отверстием; в — разрезной капилляр
«птичий клюв»; г — капилляр с боковым отверстием для подачи проволоки
подъема капилляра проволока снова оплавляется пламенем, т. е. подготавлива-
ется для следующей операции контактирования.
Для плавления золотой проволоки используется водородное пламя. Дуговой
разряд в среде аргона обеспечивает образование оплавленного шарика на зо-
лотой и на алюминиевой проволоке. Относительная деформация шарика при об-
разовании качественных соединений составляет 50...60 %.
Минимальный размер контактной площадки, к которой может быть выпол-
нено стыковое соединение, должен быть больше диаметра деформированного
шарика на величину точности его совмещения с контактной площадкой.
Конфигурация нахлесточного соединения зависит от формы торца рабочего
инструмента. Размер торца рабочего инструмента должен быть не менее двух
диаметров привариваемой проволоки dnP. При сварке краем капилляра внешний
диаметр капилляра должен быть не менее (4,5...5,5) dnP, ширина кольца торца
капилляра (1,5...2) dnP и диаметр отверстия капилляра 1,4...1,6 dnp.
Используются следующие типы рабочего инструмента: игла-пуансон, в ко-
тором проволока подается под инструмент сбоку через специальную дюзу, ка-
пилляр с центральным отверстием, разрезной капилляр «птичий клюв», капил-
ляр с боковым отверстием для подачи проволоки (рис. 10.22). Торец рабочего
инструмента может быть плоским, с поперечной канавкой и выступом. При
сварке с помощью иглы-пуансона подача проволоки на контактную площадку,
совмещение торца иглы с проволокой и контактной площадкой производятся
раздельно. При сварке с помощью капилляров проволока совмещена с рабочим
инструментом. Наиболее широко применяются капилляры с центральным от-
верстием и с боковой подачей. На торец капилляра обычно наносят формирую-
щую канавку, которая ограничивает пластическое течение материала проволоки
и принудительно увеличивает скорость пластического течения в приконтактной
зоне, благодаря чему получается прочное соединение при относительно неболь-
ших нагрузках на инструмент. Чтобы исключить замыкание на край кристалла
и компенсировать механические напряжения, возникающие при перепадах тем-
ператур, вблизи мест приварки соединительный проводник должен иметь изгиб
(петли).
Конструкция инструмента должна учитывать условия его нагрева и охлаж-
дения и обеспечивать максимальное выделение энергии в рабочей части. Соот-
ношение между полной энергией №э, выделяющейся в инструменте (электроде),
и энергией WP, непосредственно выделяющейся в рабочей части, выражается че-
рез КПД инструмента (т]и). При правильно сконструированном инструменте
Яи составляет не менее 16...25%. Энергия, выделяющаяся в рабочей части инст-
румента, при нагреве до заданной температуры в свободном состоянии без со-
прикосновения со свариваемыми деталями должна быть примерно в 15 раз
больше энергии, отводимой в свариваемые детали. При этом температура на-
грева инструмента при сварке снижается примерно на 6% по сравнению г оп-
тимальной, что допустимо при импульсной сварке давлением.
Другим важным параметром инструмента является длительность охлажде-
ния рабочей части до начальной температуры. Ее можно найти через постоян-
ную времени инструмента /0, которая определяет минимальный интервал между
443
Рис. 10.23. Варианты крепления
сварочных инструментов
отдельными сварками, а значит, и предельную производительность установки.
Инструмент в виде круглого стержня из вольфрама, заточенный на конус
с диаметром торца 200 мкм и расстоянием от паза до торца 400 мкм, позво-
ляет проводить сварку с периодичностью 1 с. Инструмент в виде V-образной
пластинки из молибдена с дополнительными теплоотводами может нагреваться
с периодичностью до 0,5 с.
При УЗ-сварке лучшим способом крепления инструмента к волноводной
системе является пайка или сварка (рис. 10.23, а), с помощью конуса
(рис. 10.23,6) или резьбовое крепление с боковым или торцевым прижатием
(рис. 10.23, в, г).
Распространенной конструкцией УЗ-сварочного инструмента (сварочной иг-
лы) является стержень с конической частью. Коническая часть иглы, с помо-
щью которой осуществляется контактирование с проволокой и передача давле-
ния на свариваемые элементы, имеет заданные радиусы закругления
(рис. 10.24, а). Размеры рабочего торца выбираются в зависимости от диаметра
привариваемого проводника (табл. 10.18) для уменьшения влияния неточности
размещения проводника под инструментом (во избежание выскальзывания про-
водника). Диаметр торца d (или размер а) обычно составляет 3—4 диаметра
привариваемого проводника dnp.
Рис. 10.24. Форма рабо-
чей части инструмента
для ультразвуковой свар-
ки проволочных выводов
444
Таблица 10.18. Оптимальные размеры сварочного инструмента, мкм
Диаметр приваривае- мой проволоки </Пр, мкм а ь R с Г
25 100+10 60+10 10
40 160+10 100± 10 15
60 210+10 170+15 20 (0,25...0,3)dnP (0,5...0,6)dnp
100 300± 10 225+15 30
Длина деформируемого при сварке участка проводника, определяемая раз-
мером Ь> выбирается равной (2...3) dnp. Увеличение длины b до dnp способст-
вует повышению прочности сварного соединения. Для ограничения деформации
проводника и повышения эффективности передачи энергии в зону сварки в
центре рабочей части вдоль привариваемой проволоки создают небольшой
паз (рис. 10.24,6). Для получения качественных соединений при неплоских кон-
тактных площадках или расположенных под углом к торцу инструмента исполь-
зуют конструкцию рабочей части инструмента (рис. 10.24, в) со слегка вогнутой
поверхностью торца.
Эффективная передача УЗ-колебаний обеспечивается хорошим сцеплением
с привариваемым проводником. Для этого на рабочей поверхности инструмента
делают поперечную канавку (рис. 10.24, г). Во время деформирования провод-
ника материал затекает в эту канавку, обеспечивая хорошее сцепление с инст-
рументом.
При создании сравнительно толстых проволочных выводов больших раз-
меров контактных площадок применяют инструменты с поперечной и продольной
канавками (рис. 10.24, д), Эффективно и качественно происходит процесс УЗ-
сварки при применении инструмента с крестообразным расположением канавок
(рис. 10.24, е), особенно при сварке плоских выводов.
Поверхность инструмента должна быть грубее поверхности, к которой при-
соединяется проводник, т. е. быть рельефной. Микрорельеф (микронасечки)
можно получить электроэрозионным способом, шлифованием поверхности, при-
чем если шлифование проводится в направлении, перпендикулярном направле-
нию колебаний инструмента. Закругленная часть инструмента обязательно долж-
на быть полированной. Наибольшее распространение при УЗ-микросварке круг-
лых тонких проводников получил инструмент с боковым капиллярным отверсти-
ем (рис. 10.25, табл. 10.19) для подачи привариваемой проволоки под рабочую
часть инструмента. Обычно диаметр отверстия составляет 1,5...2 диаметра прово-
локи. Расположение отверстия должно быть таким, чтобы проволока, с одной
стороны, свободно проскальзывала под рабочей частью, когда ее подают вперед,
а с другой — не изгибалась на острой кромке выходного отверстия при пере-
мещении инструмента назад при создании проволочной перемычки.
Таблица 10.19. Оптимальные размеры инструмента для микросварки, мкм
Диаметр приваривае- мой проволоки ^пр’ мкм а b с с R г L, мм
25 85 100 5 50 12 25 5 15±0,2
40 НО 160 8 70 15 40 12 21+0,2
Правильный выбор профиля рабочей части во многом определяет надеж-
ность обрыва проволоки после создания перемычки. Большой радиус закругле-
445
Рис. 10.25. Инструмент
для ультразвуковой ми-
кросварки с боковым от-
верстием для подачи
проволоки (вид А — вто-
рой вариант)
Рис. 10.26. Схема создания
проволочной перемычки с из-
менением угла наклона ин-
струмента:
1 — контактная площадка ИС*. 2 —
инструмент; 3 — перемычка; 4 —
вывод корпуса
ния режущей кромки (г> 15 мкм) затрудняет отрыв проволоки, увеличивает
длину деформированного участка проводника. Острая кромка (г^ 15 мкм) создает
концентрацию напряжения в месте перехода от деформированного участка к
недеформированному. Этого противоречия избегают, применяя соответствующий
наклон инструмента на 2...4° вперед при сварке первой точки, уменьшающий
внедрение инструмента в районе режущей кромки. При сварке второго конца
перемычки инструмент располагают перпендикулярно или наклоняют на 1...2®
в обратную сторону (рис. 10.26), что обеспечивает прочное соединение и воз-
можность легкого и четкого обрыва проволоки. Наиболее важно это при сварке
алюминиевой проволоки, чувствительной к концентраторам напряжений.
Таблица 10.20. Оптимальные размеры инструмента для микросварки, мкм
Диаметр приваривае- мой проволо- ки tfnp, мкм d0 dx d% ъ R L, мм
20 28±3 88 118±5 20 20 7±0,2
25 38±4 ИЗ 150±5 25 25 или
30 48±5 138 182±5 30 30 12±0,8
40 60±5 180 238 ±7 40 40
50 70±5 220 293±7 50 50
44а
Рис. 10.27. Инструмент для ультра-
звуковой микросварки с центральным
капиллярным отверстием
Рис. 10.28. Инструмент для группо-
вой приварки выводов методом «па-
учковой» технологии
Для сварки встык с образованием шарика и внахлестку применяют инст-
рументы с центральным капиллярным отверстием (рис. 10.27, табл. 10.20). Диа-
метр капиллярного отверстия d0 имеет допуск ±3,5 мкм, что обеспечивает сво-
бодное прохождение привариваемой проволоки и удержание шарика на контак-
тирующей части инструмента. Контактирующая площадка b относительно оси
отверстия располагается концентрично с отклонением не более ±5 мкм.
Внутренний радиус в инструменте обрабатывается по 10-му классу шеро-
ховатости, так как неровности кромки и другие дефекты приводят к нарушению
целостности проволоки. Сопряжение конической заходной части отверстия с ци-
линдрическим рабочим отверстием должно быть также плавным.
При групповой УЗ-сварке контактной рамки и кристалла ИС с «паучковы-
ми» выводами используют специальный инструмент (рис. 10.28). Материал инст-
румента для УЗ-микросварки должен обладать высокой износостойкостью, иметь
минимальные акустические потери, малую склонность к адгезии с приваривае-
мым материалом, высокую прочность, хорошую обрабатываемость.
Сварочный инструмент для УЗ-сварки с импульсным косвенным нагревом
должен удовлетворять еще дополнительным требованиям, предъявляемым им-
пульсным нагревом: обеспечивать нагрев зоны сварки до определенной темпе-
ратуры без значительного перегрева инструмента в процессе пропускания им-
пульса тока, обладать высокой износостойкостью при совместном действии УЗ-
колебаний и нагрева.
В отечественной промышленности используют инструменты из твердого спла-
ва марок ВК6М и ВКЗМ, содержащие соответственно 94 и 97% карбида вольф-
рама. Связующим элементом в этих сплавах является кобальт, не вступающий
в химическое соединение с карбидами металлов и хорошо их смачивающий.
Твердые сплавы ВК характеризуются высокой износостойкостью, инструменты
из твердого сплава выдерживают свыше 30 000 сварок (для алюминиевых про-
водников).
Износ инструмента из твердого сплава ВК, содержащего карбид вольфрама
и кобальт, происходит в результате схватывания между свариваемым материа-
лом и кобальтом.
447
При сварке золотой проволоки кобальт удаляется из инструмента вслед-
ствие его большего коэффициента диффузии в золото. Оставшийся без связи
хрупкий карбид вольфрама под действием циклических нагрузок разрушается.
Высокую износостойкость имеет твердый сплав группы ТК (на основе кар-
бида титана): TiC — 70%; Ni—15%; Mo—15%. Низкое металлургическое срод-
ство с золотом обеспечивает стойкость инструмента при сварке золотых провод-
ников. Карбид титана характеризуется очень низкой окисляемостью (при этом
уменьшается износ), имеет низкий коэффициент акустических потерь. Однако
сплавы группы ТК плохо поддаются механической обработке и хрупки.
Для повышения стойкости инструмента проводят химико-термическую об-
работку, предусматривающую термодиффузионное насыщение поверхности од-
ним или несколькими элементами. Стойкость инструментов из твердого сплава
ВК6М (мелкозернистого), рабочая поверхность которых насыщена марганцем,
увеличивается в 2 раза. При нанесении диффузионного покрытия из титана стой-
кость инструментов увеличивается в 3—4 раза и составляет более 200 000 свар-
ных точек. Оптимальная толщина покрытия не превышает 10 мкм.
Для УЗ-микросварки применяют составной инструмент, включающий нако-
нечник с рабочей площадкой, выступ с боковым отверстием и хвостик. Для
материала концевой рабочей части инструмента используется металлокерамиче-
ский сплав, содержащий большой процент осмия, или сплавы, в которых основ-
ной составной частью является родий, иридий, палладий, тантал, хром, молиб-
ден. Применяют инструменты, концевая часть которых выполнена из сапфира
или алмаза. Выступ с отверстиями делают из нержавеющей стали, обеспечиваю-
щей необходимое скольжение проволоки по отверстию. Остальная часть инст-
румента («хвостик») изготовляется из карбида вольфрама, обеспечивающего
эффективную передачу УЗ-энергии.
10.4. Технология микросварки
Для обеспечения необходимого качества поверхности, отвечающего требова-
ниям процессов микросварки, элементы, подлежащие сварке, должны пройти
следующие операции: обезжиривание в спирте, если поверхность кристалла ме-
таллизирована золотом или алюминием; обезжиривание в спирте, отжиг, обез-
жиривание в спирте, если проволока золотая; кремний подвергают травлению
в концентрированной плавиковой кислоте и промывают в дистиллированной во-
де; германий проходит операцию травления в концентрированной плавиковой
кислоте, промывку в дистиллированной воде, травление в растворе щавелевой
кислоты (100 г дистиллированной воды, 3...4 г щавелевой кислоты), промывку
в дистиллированной воде.
Подготовка алюминиевого проводника перед сваркой может выполняться по
нескольким вариантам в зависимости от условий поставки и длительности хра-
нения.
1. Промывка в ацетоне при 298 К в течение 5 мин (до трех раз) и сушка
при температуре 343 К в течение 20 мин.
2. Промывка в ацетоне при 298 К в течение 2...3 мин; травление в смеси
ортофосфорной кислоты с деионизованной водой (в соотношении 1:1) при 298 К
в течение 0,5... 1 мин; промывка в деионизованной воде (до 10 мин); сушка в
азоте при 393 К в течение 10 мин.
3. Промывка в ацетоне при 298 К, промывка в деионизованной воде (до
10 мин); травление в 10%-ном растворе NaOH при 298 К в течение 1 мин; про-
мывка в деионизованной воде (до 10 мин); промывка в ацетоне при 298 К
(до 3 мин); сушка в азоте при 393 К (до 10 мин).
При непосредственном присоединении алюминия или золота к кремнию воз-
никают ограничения по температуре, давлению и степени окисленности поверхно-
сти полупроводникового материала. Сварка давлением тонких золотых проводни-
ков (круглых проволочек) с кристаллами кремния может осуществляться при на-
греве до температур, не превышающих 623 К, так как при 648 К золота
с кремнием образуется эвтектика. Золото с кремнием, имеющим толстую окис-
ную пленку, очень трудно соединить. Их соединение при температурах ниже
температуры образования эвтектики происходит, если толщина окисной пленки
448
на кремнии ^10 мм. Даже при контактно-реакционной пайке золота с кремнием
при температурах выше 648 К требуются достаточно интенсивные относительные
перемещения (вибрация) для получения качественных соединений.
При сварке алюминия с кремнием на качество соединения влияет структура
проводимости кремния. Так, при сварке на одинаковых режимах алюминиевых
проводников с кристаллами кремния p-типа сварные соединения обладают мень-
шей прочностью, чем соединения с кристаллами кремния n-типа. Прочность со-
единения (усилие отрыва) в значительной степени зависит от ориентации кри-
сталлографических осей относительно направления касательных напряжений
сварного контакта. При сварке на поверхности (111) монокристалла кремния
p-типа наибольшая прочность соединения получена при ориентировке кристалла,
когда направление (110) совпадает с направлением касательных напряжений.
При сварке алюминия с окисленным кремнием можно получить достаточно
прочные соединения. Однако в этом случае из-за отсутствия непосредственного
соединения алюминия с кремнием резко увеличивается омическое сопротивление
контакта.
Для присоединения проволочных выводов из золота, алюминия и меди к тон-
копленочным контактным площадкам и полупроводниковым элементам применя-
ется термокомпрессия. Для создания контакта с алюминиевой контактной пло-
щадкой используется золотая проволока, сварка производится при 7 = 423...
623 К, следует иметь в виду, что при Т=623 К уже может образоваться соеди-
нение красноватого цвета АиА12—«пурпурная чума», резко ухудшающая меха-
нические и электрические свойства контактов.
Оптимальная деформация при присоединении термокомпрессией золотой
проволоки к металлическим пленкам составляет 50...70%, алюминиевой 6О...75%.
Такая деформация определяется из условия получения наибольшей прочности
получаемого соединения (не ниже 50% прочности проволоки). В табл. 10.21
приведены оптимальные режимы термокомпрессионной сварки для некоторых
соединений.
Таблица 10.21. Оптимальные режимы термокомпрессионной сварки
для некоторых соединений
Материал подложки или пленки Материал вывода Темпера- тура на- грева, К Удельное давление, МПа Время, с Деформа- ция выво- да, %
Кремний Алюминий, напылен- ный на SiC>2 Золото, напыленное на SiO2 Кремний Алюминий, напылен- ный на SiC>2 Золото 623 140... 150 5... 10 60 » 523...623 140...150 1...5 60 100...110 0,5...5 50 Золото 573 100...110 0,5...3 50 Алюминий 723 70 10 60...70 » 623 60...70 3...7 60
Прочность соединений, полученных термокомпрессионной сваркой, зависит
от вида соединяемых материалов и параметров сварки, значения ее колеблются
в пределах 0,1...0,3 Н. При малых деформациях прочность соединения алю-
миниевой проволоки с кремнием на разрыв (отрыв) меньше оптимальной вслед-
ствие малой фактической площади соприкосновения материалов; в этом случае
контакты разрываются на границе раздела материалов. При больших деформа-
циях механическая прочность также ниже оптимальной вследствие отрыва про-
волоки у контакта.
Номограмма режимов термокомпрессионной сварки (рис. 10.29), построенная
по принципу оптимальной деформации, позволяет определить основные парамет-
ры . режимов сварки, которые затем уточняются в технологическом процессе.
При выборе режимов сварки в соответствии с материалом проволоки и ее диа-
метром устанавливается температура сварки, не превышающая температуру об-
разования эвтектики золото-кремний (643 К), золото-алюминий (798 К) и обра-
29 Заказ Ха 1270 419
Рис. 10.29. Номограммы режимов
термокомпрессионной сварки золотой
и алюминиевой проволок с алюми-
ниевой пленкой на кремнии:
1, 2, 3, 4, 5 — время сварки соответствен-
но 10, 5; 2,5; 1; 0,5 с; 6, 7, 8, 9, 10, 11,
12 — диаметр проволоки соответственно
80; 60; 40; 20; 100; 80 и 40 мкм
Рис. 10.30. Номограмма режимов
сварки давлением с косвенным им-
пульсным нагревом золотой и алю-
миниевой проволок с алюминиевой
пленкой:
1,2 — время сварки соответственно 0,1 и
1 с; 3, 4, 5, 6, 7, 8 — диаметр соответ-
ственно 60; 50; 40; 100; 80 и 40 мкм
зования интерметаллических соединений типа AunAlw (670 К). Например, для
золотой проволоки диаметром 40 мкм можно выбрать температуру процесса
примерно 600 К. На ординате, соответствующей этой температуре, для выбран-
ной проволоки удельное давление будет составлять около 1...10 МПа, а дли-
тельность сварки 4 с.
На рис. 10.30 изображена номограмма режимов сварки давлением с кос-
венным импульсным нагревом. При температуре сварки, превышающей темпе-
ратуру эвтектики золото-кремний, следует снижать давление на проволоку (этим
объясняются изломы на линиях, соответствующих золотым проволокам). Зави-
симости температуры инструмента от первичного напряжения и длительности
импульса приводятся на номограмме в виде наклонных штриховых линий, каж-
дая из которых соответствует определенной длительности импульса.
Для выбора режимов сварки задаются максимальной температурой Тс и
временем сварки Гс. По пересечению ординаты с линией, соответствующей диа-
метру выбранной проволоки, определяется давление и напряжение. При кон-
тактной точечной сварке расщепленным электродом основными технологически-
ми параметрами являются форма и длительность сварочного импульса, кон-
тактное усилие. Сварочный импульс должен обеспечить предварительный нагрев
места соединения и плавный спад температуры после окончания сварки. Ре-
жимы односторонней контактной сварки приведены в табл. 10.22.
Таблица 10.22. Оптимальные режимы сварки расщепленным электродом
Соединяемые металлы Темпера- тура, К Удельное давление, МПа Время, с Деформа- ция выво- да, %
Проводник, диаметр, мкм Пленка
Au, 40 Al, 40 Cu, 40...100 Au, Ni, Ag 673...693 40...70 0,1...0,5 50...60 Au, Al 723...823 15...40 0,1...0,5 60...70 Ni, Au, Ag 793...973 60...100 0,2...1,0 50...60
Основными технологическими параметрами УЗ-сварки являются амплитуда
и частота колебаний инструмента (или мощность) и внешнее давление. При
450
Рис. 10.31. Виды соединений, выполняемых УЗ-сваркой
УЗ-сварке с нагревом дополнительным параметром является температура на-
грева свариваемых материалов, а с импульсным нагревом — длительность теп-
лового импульса и время смещения УЗ- и теплового импульса. Нагрев до 423...
473 К сокращает время сварки и способствует повышению качества образуемого
соединения.
При малых амплитудах и давлениях передача энергии колебаний в зону
сварки неэффективна, большие амплитуды нарушают адгезию пленки и в об-
ласти больших давлений происходит демпфирование колебаний. При фиксиро-
ванных амплитуде и давлении прочность сварного соединения зависит от дли-
тельности процесса сварки: при кратковременной сварке прочность невелика
и разрушение происходит по месту сварки, при длительной сварке разрыв про-
исходит по «шейке» проводника из-за его чрезмерного расплющивания.
Перечислим элементы конструкции МЭА, которые могут быть соединены
УЗ-сваркой: мельчайшие детали из разнородных металлов, которые трудно или
совсем не поддаются соединению другими методами сварки; тугоплавкие ме-
таллы, сильно отличающиеся электро- и теплопроводностью; алюминиевые де-
тали между собой; металлические детали с большой разницей по толщине; де-
тали, не выдерживающие больших электрических и термических нагрузок; дета-
ли с неметаллическим покрытием, которые не могут быть соединены без его
удаления; детали из неметаллических материалов, покрытых тонкой металличе-
ской пленкой; металлы, соединяемые другими способами сварки, но при жестких
требованиях к чистоте соединений (отсутствие выплесков, прожогов, окислов).
При УЗ-сварке соединяемые элементы могут контактировать плоскими по-
верхностями или плоской поверхностью с цилиндрической, возможны соедине-
ния встык, при которых привариваемый элемент — проволочный вывод — пода-
ется через отверстие в инструменте и на его конце перед сваркой образуется
оплавленный шарик, пересекающиеся проводники можно соединять параллельно
или крестообразно (рис. 10.31).
Длительность включения ультразвука при микросварке определяется амп-
литудой колебаний и усилием сжатия. Для достижения равнопрочности соеди-
нений и проводника (при испытании на срез —QCp) время микросварки необхо-
димо увеличить более чем в 20 раз (от 0,1 до 2,5 с) при уменьшении усилия
сжатия Р от 2,8 до 1,0 Н. Время микросварки увеличивается и при усилии
сжатия выше 2,8 Н.
На рис. 10.32 в качестве примера показано влияние основных параметров
УЗ-сварки на прочность QOtp сварного соединения. Сварка проводилась на час-
тоте 60 кГц инструментом с рабочим торцом шириной 90 мкм и поперечной
канавкой. Прочность соединений определена на отрыв под углом 90° на весах
В ЛТК-500 с ценой деления 0,01 Н.
При испытании разрушение соединений происходит по проволоке вдали от
зоны сварки а, в месте наибольшей деформации проволоки б, с отслаиванием
проволоки от пленки вис отрывом части соединения г. Из графиков можно
установить зоны оптимальных режимов А, которые показывают, что наиболее
критичными параметрами являются амплитуда колебаний и контактное усилие,
а наименее критичным — длительность процесса.
29*
451
Рис. 10.32. Зависимость прочности Q
при испытании на отрыв и коэффи-
циента вариации прочности у от
параметров УЗ-сварки при соедине-
нии алюминиевой проволоки диамет-
ром 40 мкм с пленкой алюминия
толщиной 6=1 мкм на SiO2.
Режим сварки: а — мощность УЗ-колеба-
ний Мэ=75-10—3 Вт; усилие сжатия Р=
= 25-10—2 Н; б - ^ = 75-10-3 Вт; т=0,32 с;
в — Р=25-10-2 Н; т=0,32 с
Технологические параметры УЗ-сварки подбираются экспериментально. Вна-
чале устанавливается усилие сжатия, при котором достигается незначительное
начальное вдавливание рабочей части инструмента в материал проволоки.
Длительность микросварки и амплитуда колебаний инструмента (мощность
генератора) подбираются путем постепенного их увеличения (при этом добива-
ются оптимального деформирования проводника) и последующего испытания по-
лученного соединения на механическую прочность с оценкой характера разру-
шения (добиваются разрушения соединения по проводнику).
При неудачном выборе мощности (если невозможно получение достаточной
прочности или если значение ее слишком критично) изменяются ранее установ-
ленные значения усилия сжатия и времени микросварки. Определяя влияние
этих факторов на прочность соединений, можно найти для каждого параметра
оптимальные значения и пределы возможного их изменения.
Предпочтительнее применять меньшие усилия сжатия, при этом другие па-
раметры становятся менее критичными. Желательно выбирать режим возбужде-
ния преобразователя, обеспечивающий меньшую амплитуду колебаний. При очень
Рис. 10.33. Влияние длительности колебаний при различной температуре подо-
грева на прочность соединений алюминиевых проводников диаметром 0,1 мм
с алюминиевыми пленками на ситалле (а) и золотых проводников диаметром
0,04 мм с алюминиевыми пленками на кремнии с подслоем SiO2 (б):
а — /=60 кГц; Р=2 Н; А — 1,5 мкм; б — f=60 кГц;. Р=0,5 Н; Л =0,5 мкм
452
малых усилиях сжатия стабильность прочности соединений ухудшается. Это
вызвано тем, что усилия сжатия становятся нестабильными из-за их соизмери-
мости с силами трения в механизмах сварочного устройства.
При сварке с косвенным нагревом существует оптимальная температура,
равная примерно 420..-470 К, при которой в определенном интервале длитель-
ности колебаний образуются наиболее прочные соединения при их высокой ста-
бильности (рис. 10.33). Повышение температуры свариваемых элементов умень-
шает требуемую продолжительность воздействия ультразвука. Без нагрева мак-
симальная прочность контакта (QOTp=0,38 Н) достигается при длительности УЗ-
колебаний, равной 0,4...0,5 с, при нагреве до температуры 420 К максимальная
прочность контакта (0,42 Н) достигается за 0,3 с, а при 490 К — за 0,25 с.
Нагрев до 570 К и выше приводит к снижению прочности соединений, что
связано с уменьшением эффективности передачи ультразвука в зону сварки в
результате значительного увеличения текучести материала проводника. При этом
разрушение соединения происходит, как правило, по контакту даже при опти-
мальной деформации проводника. Подобная зависимость прочности соединений
от температуры получена и при сварке золотых проводников диаметром 40 мкм
к алюминиевой пленке на кремнии с подслоем SiO2 (рис. 10.33,6).
10.5. Контроль качества микросварных соединений
проводник — пленка
В основу оценки качества микросварных соединений положены следующие
признаки: прочность (значение усилия разрушения) при испытании соединений
на отрыв под различными углами к поверхности: степень деформации провод-
ника в зоне соединения, электрическое сопротивление зоны сварного соединения,
стойкость к термическому старению и смене температур.
Прочность сварных соединений определяется при испытании на срез и отрыв
(рис. 10.34). Разрушение — при испытании на срез под минимальным углом.
Приложения нагрузки для алюминиевых проводников диаметром менее 0,1 мм
и золотых менее 0,06 мм происходит, как правило, при всех режимах сварки.
Поэтому затруднен выбор оптимальных параметров режима сварки. Испытания
на отрыв под углом 90° позволяют оценивать влияние параметров режима, пол-
нее характеризовать прочность сварных соединений. Однако эти испытания не
позволяют оценить действительную прочность соединения, так как нельзя ото-
рвать проводник сразу по всей площади контакта даже при симметричной схе-
ме (рис. 10.34).
Разрушение при отрыве под углом 90° происходит последовательно по узким
полоскам соединения, длина которых равна ширине деформированного провод-
ника, а ширина — примерно толщине деформированного проводника.
Обычно при испытаниях усилие прикладывают под углом 90°. При таком
испытании возможны пять видов разрушения сварных соединений (рис. 10.35):
Рис. 10.34. Схемы испыта-
ний на срез под различны-
ми углами приложения на-
грузки:
1 — подложка печатной платы
или тонкопленочной схемы; 2—
контактная металлическая пло-
щадка; 3 — приваренный про-
водник
180°
453
p^zzzszzq pzzzzzzzzzz^ pzzzzzzzz^ pzzzzzzzzz^
I 2 3 * S
Рис. 10.35. Виды разрушений сварных соединений металлического проводника
с плоской поверхностью полупроводника или тонкой пленкой на подложке
с отслаиванием сварной точки от поверхности пленки или полупроводника, с
вырывом сварной точки вместе с частью тонкой пленки, с отрывом части свар-
ной точки от поверхности, по проводнику в зоне максимальной деформации, по
проводнику вдали от сварного соединения.
При испытаниях на отрыв происходит постепенное отдирание проводника
от плоской поверхности. При этом величину усилия определяет не общая пло-
щадь соединения, а в основном его ширина в направлении, перпендикулярном
оси проводника.
Характер разрушения зависит от многих факторов, основными из которых
являются: полнота взаимодействия соединяемых материалов на контактных по-
верхностях; величина пластической деформации проводника в зоне контакта;
форма сварной точки, которая зависит от рабочего профиля инструмента (пуан-
сона), деформирующего привариваемый проводник, адгезия пленки с подлож-
кой или подслоем, которая может изменяться при воздействии сварочного им-
пульса; пластичность привариваемого проводника и уровень механических на-
пряжений, возникающих в проводнике и подложке.
При выборе способа создания и отработке режимов сварки обычно добива-
ются такого положения, чтобы разрушение соединения происходило по 4-му или
5-му виду (рис. 10.35), и лишь иногда допускается разрушение по 1-му виду.
Необходимо, чтобы прочность соединения составляла определенную часть
прочности проводника на разрыв или адгезии пленки с подложкой, например
не менее 80...90% от прочности проводника на разрыв. Такие испытания явля-
ются очень жесткими, поэтому соединения могут показать низкие значения уси-
лия отрыва, особенно при сварке проводников из малопластичных материалов.
В этом случае оптимальной схемой испытаний может служить отрыв под уг-
лом 45° (рис. 10.34).
Фактическая прочность контакта выше тех значений усилий отрыва, кото-
рые выявляются при испытании, так как площадь контакта (сварной точки) в
3—4 раза больше площади сечения проводника. При «идеальном» отрыве (т. е.
одновременно всего контакта) сварное соединение, например, алюминиевого
проводника диаметром 0,11 мм с напыленной пленкой алюминия могло бы вы-
держать нагрузки до 1,5...2 Н.
Степень деформации проводника определяет характер разрушения соеди-
нения: при весьма малой деформации разрушение происходит по месту сварки
с отрывом проводника от поверхности напыленной пленки, а при чрезмерной
деформации разрушение соединения происходит в месте наибольшей деформации
при значительном снижении усилия разрушения.
При оптимальной деформации проводника (сварка на оптимальных режи-
мах) разрушение может происходить как по проводнику, так и по соединению,
хотя желательно, чтобы разрушение происходило в основном по проводнику.
Деформацию проводника толщиной или диаметром d можно оценить по ве-
личине осадка
d—t
е = — -100%,
d
где t — толщина деформированного участка проводника.
Деформацию проводника круглого сечения можно определить по формуле
.454
/ л d \
е= ('-тгИ
В — ширина сварной точки (деформированного проводника). Последняя форму-
ла применима при е>20%, т. е. когда B>d.
Важнейшей характеристикой надежности сварных соединений является ста-
бильность прочности (усилия разрушения), которая оценивается коэффициентом
вариации.
Y=(a/Qcp)-100%,
где ______________
/~ £ (Qi-Qcp)j
ff=± г
— среднеквадратическое отклонение, QCp — среднеарифметическое значение уси-
лия разрушения; Qi — усилие разрушения t-го сварного соединения; п — число
испытанных соединений.
При термокомпрессионной сварке круглых проводников с металлическими
пленками существует область оптимальных параметров режима (температуры
и усилия сжатия), в которой обеспечивается максимальная прочность сварных
соединений. Размер этой области зависит от типа свариваемых материалов
и вида рабочего инструмента. При термокомпрессионной сварке клиновидным
инструментом проводника диаметром 0,1 мм из золота с золотой или алюминие-
вой пленкой с подслоем хрома, нанесенным на стеклянную подложку, разруше-
ние происходит по проводнику в зоне деформации с достаточно большой проч-
ностью. При сварке на завышенных режимах происходит чрезмерная деформация
проводника, и прочность соединений значительно снижается. При сварке на за-
ниженных режимах разрушение происходит по соединению с отрывом провод-
ника от пленки.
Прочность соединений (усилие при испытании на отрыв) и их стабильность
в значительной степени зависят от состояния поверхности и качества адгезии
пленки как при термокомпрессии и импульсном нагреве, так и при УЗ-сварке.
Режим напыления существенно влияет на качество соединений, выполняе-
мых УЗ-сваркой.
При сварке на установке импульсным косвенным нагревом медных и золо-
тых проводников диаметром 50 мкм с тонкими пленками наибольшая стабиль-
ность качества сварных соединений обеспечивается на пленках Ag-Cu-NiCr и
Ni-Cu-Ti толщиной более 0,6...0,8 мкм, напыленных при температуре подложки
1подл=473...573 К. При оптимальном режиме сварки среднее усилие отрыва со-
единения равно 0,40=0,42 Н, что составляет 75% прочности медного провод-
ника диаметром 0,05 мм на разрыв.
Форма торца рабочего сварочного инструмента влияет на качество (проч-
ность) сварных соединений круглых тонких проводников с различными подлож-
ками в первую очередь при УЗ-сварке алюминиевых проводников. За критерий
оценки эффективности рабочего профиля инструмента может быть принято от-
ношение площади зоны декорирования или зоны соединения SCB к площади зо-
ны деформации привариваемого проводника 5Деф.пр: К=$сэ/3деф.пр<1, значе-
ние К практически всегда меньше 1.
Результаты испытаний сварных соединений проволоки из алюминия марки
А995Д (0,5% Si) диаметром 25 мкм с алюминиевой пластиной, выполненных на
установке УЗП-02 с использованием инструмента различного профиля, приведе-
ны в табл. 10.23, Оптимальные размеры рабочей части инструмента (рис. 10.36)
для УЗ-сварки круглых проводников выражаются следующими равенствами в
зависимости от диаметра проволоки d0TB:
tf=3dnP; a=(5/7)dnp; £=(7/8)dnp; a=90°; dQ^= (7/4)dnp.
Влияние формы инструмента при термокомпрессионной сварке иллюстриру-
ется данными табл. 10.24.
455
Таблица 10.23. Характеристики прочности микросварных соединений,
выполненных инструментом с различным профилем
Вид профиля инструмента Критерий прочности, К Среднее усилие от- рыва, мН Среднеквад- ратическое отклонение /•Т Деформация, %
С треугольной канавкой 0,60 6,02 1,3676 35
Плоский с чистотой об- работки поверхности по 7-му классу 0,50 59,4 1,7293 46
То же, с чистотой обра- ботки поверхности по 9-му классу 0,41 45,5 1,58 50
С поперечной цилиндри- ческой канавкой 0,35 34,5 1,70 48
Таблица 10.24. Влияние формы инструмента на прочность
термокомпрессионных соединений
Материал подложки или пленки Значения прочности соединений, мН, выполненных
клиновым инструментом встык с образо- ванием шарика инструментом с выступом на торце
Алюминиевая проволока (25 мкм)
Алюминий на кремнии О...1,5 Выполнить 23,0...28,5
нельзя
Кремний О...1,О То же 19,0...27,0
Ковар золоченый — 22,0...27,0
Золотая проволока (25 мкм)
Алюминий на кремнии 0,5...4,0 1,0...8,0 50,0...60,0
Кремний 0...2,0 — 25,0...40,0
Исследования влияния технологических параметров режима СКИН (тем-
пература, давление, длительность) на прочность соединений различных соединяе-
мых материалов показывают, что все зависимости имеют экстремум прочности,
который определяется деформацией проводника (рис. 10.37). Разрушение соеди-
нений характеризуется участками: отрывом по плоскости соединения проводника
с пленкой (I); отрывом по проводнику или в зоне максимальной деформации
(III) и смешанным характером отрыва (II).
На участках II, III прочность соединения хорошо коррелируется с прочно-
стью проводника при различной его деформации. Анализ стабильности прочно-
сти на примере соединений золотого проводника с алюминиевыми пленками по-
казал, что оптимальный режим при СКИН должен выбираться так, чтобы
прочность соединений соответствовала примерно границе между участками
II и III.
При УЗ-сварке алюминиевой проволоки диаметром 30 и 40 мкм, легиро-
ванной кремнием (до 0,5%) с алюминиевыми пленками толщиной 1 мкм, напы-
ленными на окисленный кремний, существует некоторое минимальное критиче-
ское усилие на инструменте, ниже которого не удается получить удовлетвори-
тельной прочности соединений при любых изменениях других параметров свар-
ки (амплитуды колебаний и длительности импульса)-
456
Рис. 10.36. Размеры рабочей части инстру-
мента для ультразвуковой сварки круглых
проводников с плоскими поверхностями
Рис. 10.37. Зависимость усилия отрыва соединений золотой проволоки диамет-
ром 50 мкм с алюминиевыми пленками на ситалле от температуры инструмента:
длительность импульса — 0,5 с; давление — 1,2 МПа; Qnp — прочность проводника на
разрыв в зависимости от степени деформации
Рис. 10.38. Зависимость прочности
соединения Q алюминиевой проволо-
ки диаметром 40 мкм с алюминие-
вой пленкой от коэффициента формы
сварной точки Кф=^пр/6п, где бп—
минимальная высота сварной точки
Рис. 10.39. Влияние температуры по-
догрева при различной длительности
УЗ-колебаний на среднюю прочность
соединений алюминиевых проводни-
ков диаметром 0,1 мм с алюминие-
выми пленками на ситалле.
Режим сварки: f=»60 кГц; Р=2 Н, ампли-
туда 1,5 мкм
Соединение алюминиевого проводника диаметром 40 мкм с алюминиевыми
пленками (толщиной 1,2 мкм), полученное инструментом с плоским торцом
и поперечной канавкой, разрушается при значении коэффициента формы свар-
ной точки Кф^4. Разрушение происходит по границе раздела проводник — плен-
ка (рис. 10.38); при значении Лф=5...8 достигается наибольшая прочность, а при
Лф>10 прочность резко падает и разрушение происходит по проводнику в зоне
наибольшей деформации.
При УЗ-сварке с подогревом для каждого интервала воздействия УЗ-ко-
лебаний существует оптимальная температура подогрева, при которой обеспечи-
вается максимальная прочность соединений (рис. 10.39).
Длительность смещения импульсов при сварке с косвенным нагревом
(УЗСКН) алюминиевых проводников с золотой пленкой существенно влияет на
прочность соединений (рис. 10.40), причем основной составляющей являются
457
Рис. 10.40. Влияние длительности смещения импульсов УЗ-колебаний и кос-
венного нагрева на прочность соединений алюминиевого проводника диамет-
ром 90 мкм с золотой пленкой на ситалле.
Режим сварки: Тн=623 К; *н=0,5 с; амплитуда 1 мкм; f=60 кГц; ^уЗК=0,5 с; Р = 1,5 Н
УЗ-колебания, а импульсный нагрев является вспомогательным. При одновре-
менном воздействии УЗ-колебаний и косвенного нагрева прочность соединений
резко падает из-за чрезмерной деформации проводника. Когда УЗ-колебания
являются вспомогательными, то их необходимо инициировать в начале нагрева
или с некоторым опережением (в зависимости от пластичности привариваемого
проводника) и прекратить подачу колебаний до момента достижения макси-
мальной температуры нагрева.
Основными причинами отказов контактов системы алюминиевая пленка —
золотой проволочный вывод (Аи-А1), изготовленных термокомпрессионной свар-
кой, являются: недостаточная механическая прочность контактов и малая адге-
зия выводов к контактной площадке, а последней к подложке; деградация кон-
тактного сопротивления вследствие взаимной диффузии металлов, образования
интерметаллических фаз и пустот.
При этом считают, что механизм отказа соединений непосредственно свя-
зан как с действующими физико-химическими и эксплуатационными факторами,
так и с отклонениями от заданных технологических режимов сварки.
Снижение надежности термокомпрессионных соединений объясняется обра-
зованием фазы АиА12 (пурпурная чума). Изучение процесса взаимодиффузии,
а также стадии и последовательности формирования интерметаллических фаз в
системах с различными соотношениями золота и алюминия показало, что избыток
золота препятствует формированию фазы АпА12 в области термокомпрессионных
соединений при термостабилизирующей обработке. Выдержка соединений золото-
алюминий, выполненных УЗ-сваркой, при температуре 573 К в течение 300 ч при-
водит к снижению прочности соединений на 25% и к изменению характера их
разрушения. При этом уменьшается число обрывов золотых проволочных выво-
дов с 53 до 21% и возрастает число разрушений в месте сварки от 47 до 73%
и по алюминиевой пленке до 6%. Преимущественное разрушение соединений
в месте сварки объясняется образованием трещин по границе раздела интер-
металлических фаз АщА1 и Ап5А12 (табл. 10.25), а разрушение по пленке — сни-
жением ее адгезии к подложке вследствие сквозной диффузии и выхода золота
на границу раздела А1 — SiO2.
Проведено исследование соединений, полученных термокомпрессионной свар-
кой золотых выводов диаметром 30 мкм к алюминиевой пленке толщиной
1 мкм, напыленной на SiO2. Нагрузку на иглу меняли в пределах 0,5...2 Н
при температуре 603...643 К. Термостабилизирующая обработка заключалась в
выдержке образцов в течение 6 ч в атмосфере кислорода при Т=570 К.
Расслоение по границе раздела Au — Al (рис. 10.41, а) в процессе сварки
происходит преимущественно при небольших нагрузках на иглу (не выше 0,6 Н).
Обрыв вывода (рис. 10.41, б) наблюдается чаще всего при сильных нажимах на
458
Таблица 10.25. Физические свойства интерметаллических соединений Аи-А1
Фаза параметра Au Au4A1 Au5A12 Au2A1 Au Al Au Al2 Al
Удельное электриче- ское сопротивление, мкОм - см 2,3 37,5 25,5 13,1 12,4 7,9 3,2
Температурный ко- эффициент линейного расширения а-105, К-1 1,42 1,2 1,4 1,3 1,2 0,94 2,3
Твердость по Виккер- су 60...90 334 271 130 249 263 20...50
Рис. 10.41. Характерные сечения разрушения свар-
ных соединений при испытании:
а — по границе раздела Аи = А1; б — по выводу (у края
соединения); в — по среднему сечению; г — по границе
раздела Al—SiO2 (/ — Si, 2 — SiO2, 3 — Al, 4 — Au, 5 — се-
чение разрушения, б — интерметаллические фазы)
д)
Рис. 10.42. Распределение усилий разрушения со-
единений при испытании:
а — до термостабилизирующей обработки; б — после нее;
в — термостабилизирующая обработка изделий предшеству-
ет операции термокомпрессионной сварки
иглу (1,5 Н). Однако он нередко происходит при испытании не подвергнутых
термостабилизирующей обработке соединений, полученных при значениях на-
грузки на иглу 0,8...1,2 Н. Разрушения по среднему сечению по границе раздела
Al — SiO2 и комбинированное (рис. 10.42) наблюдаются, как правило, после
термостабилизирующей обработки и характеризуются значительно меньшими
усилиями разрушения.
Усилие отрыва максимально при оптимальных режимах термокомпрессион-
ной сварки, соответствующих значениям нагрузки на иглу 1,2...1,4 Н. При на-
грузке менее 1 Н причинами снижения прочности могут быть полное схватыва-
459
ние свариваемых поверхностей из-за оставшихся на них окисных пленок, а так-
же замедленное (вследствие небольших деформаций) образование ювенильных
поверхностей в зоне сварки, что приводит к расслаиванию соединений по гра-
нице раздела Au — Al. При нагрузках на иглу свыше 1,5 Н происходит «пере-
жим» и резкое снижение усилий отрыва вывода при испытаниях.
Основные причины снижения механической прочности термокомпрессионных
соединений, подвергнутых термостабилизирующей обработке: процессы образо-
вания микротрещин на границе раздела фаз Аи4А1 и Аи5А12, а также снижение
адгезии по границе раздела Au — SiO2, обусловленное сквозной диффузией зо-
лота через пленку алюминия.
На качество сварных соединений влияют окисные и адсорбированные орга-
нические пленки на поверхности алюминиевых контактных площадок, а также
степень чистоты золотого гальванического покрытия корпусов ИС. Загрязнения
уменьшают фактическую площадь контакта, увеличивают переходное электриче-
ское сопротивление, приводят к локальным перегревам, падению прочности и
разрушению сварного соединения.
Для разрушения окисных и десорбции органических поверхностных пленок
проводят облучение поверхности металлических пленок потоками фотонов, фо-
нонов, электронов и ионов. Импульсный нагрев лучом лазера позволяет иниции-
ровать поверхностные термохимические реакции разложения и последующего
испарения органических пленок в виде летучих соединений.
Применение неодимового лазера (Х= 1,06 мкм, тн=4 мс) в режиме свобод-
ной генерации для получения алюминиевых пленок увеличивает их механическую
прочность (от 0,112 до 0,130 Н) и уменьшает коэффициент вариации (от 15
до 6%) для контактной пары А1-А13 (рис. 10.43). При плотности излучения
</>14 кВт/см2 происходит резкое уменьшение краевого угла от 30 до 10°, что
связано с инициированием поверхностных термохимических реакций, которые
приводят к очистке поверхности от органических загрязнений и имеют отчет-
ливый пороговый характер. Если поток q изменяется в интервале (14...
16) кВт/см2, поверхность алюминиевой пленки разогревается от НО до 430 К
при условии, что максимальная температура достигается в конце импульса ла-
зерного излучения. Локальный импульсный разогрев поверхности металличе-
ских пленок повышает температуру адсорбированных органических пленок- Уве-
личение колебательной энергии адсорбированных молекул и возбуждение их до
уровня энергии активации термохимических реакций приводит к разложению
органических соеднений, их окислению и десорбции в виде летучих компонен-
тов. Уменьшение значений F и увеличение коэффициента вариации К» при q>
>16 кВт/см2 происходит за счет инициирования окислительных реакций на по-
верхности алюминиевой пленки. Увеличение плотности потока лазерного излуче-
ния до 19,5 Вт/см2 и температуры до 468 К приводит к более интенсивному
окислению поверхности алюминиевой пленки, образованию микрократеров в зоне
облучения, изменению поверхностного микрорельефа алюминиевой и окисной пле-
Рис. 10.43. Зависимость механической прочности F и коэффициента вариации
Kv соединений А1-А13 и А1-Аи от плотности потока излучения q:
а — мощность УЗ-колебаний 0,55...0,65 Вт; усилие нагружения 0,3 Н; длительность свар-
ки 0,2 с; б — мощность УЗ-колебаний 0,65...0,75 Вт; усилие нагружения 0,3 Н; длитель-
ность сварки 0,28 с
460
нок. Образование микрократеров в зоне облучения можно предположительно объ-
яснить тем, что некоторые локальные участки пленки обладают гораздо мень-
шей отражательной способностью по сравнению с остальной поверхностью, отче-
го алюминиевая пленка разрушается уже при незначительном лазерном излу-
чении. При <7>2,1-1О4 Вт/см2 она полностью разрушается по толщине.
Если увеличивается q от 1,25-104 до 2,75-104 Вт/см2 и Т от 377 до 501 К,
то для золотых пленок механическая прочность соединений возрастает от 0,1
до 0,128 Н, а коэффициент вариаций уменьшится от 17,5 до 7,5% (рис. 10.43).
При <?>1,85-104 Вт/см2 краевой угол уменьшается с 45 до 15°, что обусловлено
инициированием термохимических реакций при Т>427 К. Отсутствие окислитель-
ных реакций на поверхности золотой пленки при нагреве позволяет производить
ее обработку в более широком интервале плотностей потока лазерного излуче-
ния, чем для алюминиевой пленки.
Для инициирования термохимических реакций на поверхности золотых пле-
нок необходима большая величина q по сравнению с алюминиевыми пленками,
что связано с лучшей теплопроводностью и большей отражательной способно-
стью золотых пленок. Уменьшение механической прочности и увеличение коэф-
фициента вариации соединений при ^>2,75-104 Вт/см2 связано с разрушением
поверхности золотой пленки.
Пленки, к которым приваривались алюминиевые проводники, имели сле-
дующие особенности: 1) алюминиевое покрытие толщиной 8 мкм, гальванически
осажденное на коваровую подложку, покрытую слоем гальванического никеля
толщиной 3 мкм (Al-Ali); 2) алюминиевое покрытие толщиной 9 мкм, плакиро-
ванное на никелевую подложку (А1-А12); 3) алюминиевая пленка толщиной
1 мкм, нанесенная методом термического испарения в вакууме на подложку
Si с толщиной окиси 0,6 мкм (А1-А13); 4) золотое покрытие толщиной 5 мкм,
гальванически осажденное на коваровую подложку, покрытую слоем гальвани-
ческого никеля толщиной 3 мкм (А1-Аи).
10.6. Припои и технология микропайки при сборке МЭУ
Пайка — процесс получения неразъемного соединения материалов в твер-
дом состоянии с нагревом ниже температуры их расплавления, смачиванием и
заполнением зазора между ними расплавленным припоем.
Технологический процесс пайки осуществляют при температурах, превы-
шающих точку плавления припоя, атомы расплавленного припоя, попадая в
сферу действия атомов решеток кристалла основного материала, распределя-
ются на его поверхности в определенном кристаллографическом порядке. В ре-
зультате на межфазной границе с одной стороны образуется слой твердого ма-
териала, с другой — расплава. Нагрев при пайке усиливает подвижность атомов,
а обмен между атомами твердого и жидкого вещества, возникающий в раствор-
но-диффузионных процессах, приводит к упрочению образовавшихся связей.
Последующая кристаллизация зоны плавления фиксирует процессы взаимодейст-
вия на том или ином уровне их развития и приводит к образованию паяного
соединения.
При выборе припоя для паяных соединений необходимо, чтобы температура
плавления припоя была ниже температуры плавления паяемых материалов; при-
пой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности паяе-
мых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры. При этом
сплав, образуемый в месте спая, должен обеспечивать прочную связь.
Припои для пайки классифицируют по температуре плавления: ниже 723 К —
низкотемпературные; выше 723 К — высокотемпературные. Низкотемпературные
припои содержат Sn, Bi, Cd, Pb, Tn; высокотемпературные Cu, Ag, Ni, Co, Fe,
Al и др. В микроэлектронной технологии применяются легкоплавкие припои
(табл. 10.26). При создании паяных соединений с тонкопленочными слоями
часто происходит их растворение в активном припое. Для исключения этого
явления в припой добавляют 2—3% порошка того металла, из которого изготов-
лена пленочная контактная площадка. При пайке золотых проводников к алю-
миниевым контактным площадкам в припой добавляется небольшое количество
мелкодисперсного золота.
461
Таблица 10.26. Химический состав и свойства припоев
Марка припоя Массовая доля компонентов припоя, % Температура, К
Sn РЬ Cd Bi Ag Au Sb плав- ления пайки
ПОС61 61,0 Осталь- 0,1 — 0,8 456 473...513
ПОС-61 + 57...59 ные То же 3 0,1 463 513...553
4-3% Ag ПОС-61+ 57...59 __ 3 0,1 463 513...553
+3%Аи ПОСК-50-18 50 32 18 418 453
ПСр2 30±0,1 63 ± 1,5 5 — 2±0,3 — — 498...508 523...533
Удаление окисной пленки с поверхности припоя и паяемого материала и
предотвращение ее образования в процессе получения паяного соединения осу-
ществляют с применением поверхностно-активных веществ — флюсов. Флюсы
уменьшают поверхностное натяжение расплавленных припоев, способствуют улуч-
шению смачивания и растекания, а также передаче тепла на всю зону покры-
тия припоем.
К флюсам, используемым при пайке, предъявляются следующие требова-
ния: температура плавления флюса должна быть ниже температуры начала
плавления припоя; к началу плавления припоя флюс должен смачивать поверх-
ность основного материала; при температуре пайки расплавленный флюс должен
обеспечивать полное удаление окислов и защиту от окисления основного мате-
риала и припоя; флюс не должен терять активности и защитных свойств при
длительном нагреве; продукты флюсования не должны способствовать актив-
ному развитию коррозии паяных соединений; при нагреве флюс не должен вы-
делять токсичных веществ.
Флюс состоит из основы, растворителя окисной пленки и активных уда-
ляющих загрязнения веществ. Иногда эти компоненты сочетаются в одном ве-
ществе, применяемом в качестве флюса. При монтаже МЭУ используют флюсы
на основе канифоли (ФКСп, ФКЭт, ФКТС, ЛТИ-120 и др.) и бесканифольные
флюсы (ФПЭт, ФТС) (табл. 10.27).
Таблица 10.27. Рецептурные составы, массовые доли %, свойства
некоторых флюсов на основе канифоли
Марка флюса Кани- фоль Спирт этиловый Диэтила- мин соля- но-кислый Триэта- ноламин Сали- циловая кислота Температура максимальной активности, К
ФКСп 50 50 433...573
ЛТИ-120 24 70 3...5 1...2 — 433...623
ФКТС 30 66 — 1 3 413...573
Из бесканифольных флюсов известен состав ФТС из салициловой кислоты
(4,5%), триэтаноламина (1%) и этилового спирта, а также флюс ФПЭт с со-
держанием синтетической полиэфирной смолы ПН-9 (30%) и метилэтиленкетона
или этилацетата (70%). Существует целая группа органических флюсов. Для
низкотемпературной пайки алюминия и его сплавов используют флюсы на
основе аминоспирттриэтаноламина с активными добавками фторборитов тяже-
лых металлов и алюминия.
462
Флюсующее действие расплавов и растворов флюсов является результатом
протекания целого ряда процессов, основные из которых следующие: химическое
взаимодействие между активными компонентами флюсов и окисной пленкой;
диспергирование окисной пленки в результате адсорбционного понижения ее
прочности под влиянием расплава флюса; химическое взаимодействие между
активными компонентами флюса и основным металлом, результатом которого
является отрыв пленки от поверхности основного металла и переход ее во
флюс; растворение окисной пленки в расплаве флюса; растворение основного
металла и припоя во флюсе.
Процесс флюсования включает в себя смачивание основного металла и при-
поя флюсом, удаление с них пленок, вытеснение флюса из зазора расплавленным
припоем и защиту места пайки от окисления образовавшимся шлаком. После
смачивания основного металла флюсом и удаления с него окисной пленки обра-
зуется активная межфазная граница твердый металл — жидкий флюс, которая
затем замещается расплавленным припоем в условиях фактически исключающих
взаимодействие с воздухом, что обеспечивает высокое качество слоев.
Флюсы проявляют свое действие лишь в определенном интервале темпера-
тур, который называют температурным интервалом активности флюсов. Флю-
сы обладают большой активностью и должны удаляться после пайки. Харак-
теристики паяльников даны в табл. 10.28.
Таблица 10.28. Паяльники для монтажа изделий электронной техники
Наименование характери- стики Тип паяльника и значение характеристики
промышлен- ный паяльник Зазерского унифициро- ванный ПЭТ-50 МЭП 12-30 МЭП6-4 МЭП6-6 МЭП 6-13
Напряже- ние, В* Мощность, 220 36 24 или 36 36 12 6 6 6
50...90 50 35 50 30 4 6 18
Вт Тепловой 8...12 12 30 12 25 50 50 25
КПД, % Диаметр 4...10 4 3...8 4...6 3...12 3...6 3...8 3...10
сердечника, мм Рабочая температу- 533...613 523 533 473...573 543...573 543 543 543
ра, К Снижение 383 333 313 303 353 333 333 333
температурь1 при много- кратной пайке, К Заземление Нет Нет Есть Есть Нет Нет Нет Нет
Масса, г 270...310 80 80 120 235 40 75 125
Установки для индивидуальной пайки контактов микроузлов практически не
используются. При необходимости применяют установки для сварки косвенным
импульсным нагревом и для сварки сдвоенным электродом, которые обеспечи-
вают импульсный нагрев припоя. Имеется лишь одна отечественная установка
специально для импульсной пайки — ПИН-1, в которой наряду с фиксированным
инструментом, установленным на микроманипуляторе, смонтирован термока-
рандаш, аналогичный обычному микропаяльнику.
463
Таллиевые припои. Галлий имеет низкую температуру плавления (302,8 К).
Хорошо смачивает металлы, обладает необычайно большой способностью про-
никать по границе полупроводников и зерен металлов (Sn, In, Cd, Zn, Pb,Al),
образуя эвтектику. В припоях применяют эвтектические сплавы галлия с индием
или оловом. Некоторые низкотемпературные таллиевые припои приведены в
табл. 10.29, 10 30.
Таблица 10.29. Химический состав галлиевых припоев, %
Ga In Sn Другие элементы Значение температуры плавления, К
61 25 13 1 Zn 276
62 25 13 — 278
67 29 — 4 Zn 286
76 24 — — 289
82 — 12 6 Zn 290
92 — 8 — 293
95 — — 5 298
99,5 — 1 0,5 Т1 300,3
100 — — — 302,8
Таблица 10.30. Химический состав галлиевых припоев с магнием, %
Ga Mg Cd Zn Другие элементы
88 4 4 4
55 4 4 1 11 Sn 25 Zn
Таллиевые клеи — припои выпускаются в виде паст, способных переходить
в твердое состояние при комнатной температуре. Клеевые соединения на их
основе могут эксплуатироваться при температурах от 103 до 1073 К. Они име-
ют высокую электро- и теплопроводность, достаточно высокую механическую
прочность. Соединения на основе галлиевых припоев применяют для получе-
ния герметичных соединений металлов со стеклом, при монтаже выводов МЭУ.
Соединение различных металлов с помощью галлиевых клеев осуществляется
без нагрева.
Таблица 10.31. Химический состав двойных индиевых припоев
In Другие элементы Значение температуры полного рас- плавления, К In Другие элементы Значение температуры полного рас- плавления, К
99 1 Си 423 74 26 Cd 396
98,5 1,5 Pb 423 66 34 Bi 345
97 3 Zn 416 52 48 Sn 393
95 5 Al 424 50 50 Pb 488
Приготовляют таллиевые припои непосредственно перед применением. Ис-
ходные компоненты (жидкие металлы или легкоплавкие сплавы и твердые
частицы наполнителя) берут примерно в соотношении 1 :2 и тщательно смеши-
£64
Таблица 10.32. Химический состав многокомпонентных индиевых припоев, °/о
In Cd Pb Sn i Tl | Zn Температура полного рас- плавления, К
74 24,25 1,75 389
52,2 — — 46 — 1,8 381
44,2 13,6 — 41,4 — 0,8 363
44 14 — 42 — — 366
42,8 — 7,8 46,8 2,6 — 394
44,2 — — 46,8 9,0 — 390
27 73 — — — 396
25 — 37,5 37,5 — — 453
Таблица 10.33. Химический состав индиевых припоев, %
In Другие Температура плавления, К Назначение
52 48Sn 390 Пайка стекла без флюса методом натирания
50 50 Pb 473 Пайка золота и золотых покрытий
71 26 Cd 396 Пайка германиевых элементов
66 34 Bi 345 Пайка полупроводниковых материа- лов
вают при комнатной температуре или при температуре около 308 К во фто-
ропластовой ступке до получения однородной пасты. Годный припой может
храниться не более 2 ч.
Индиевые припои в большинстве своем электро- и теплопроводны и стойки
к окислению. Используют их при пайке вакуумных соединений, стеклянных и
кварцевых изделий (табл. 10.31—10.33).
10.7. Электропроводящие клеи
Для получения электрических соединений используют электропроводящие
клеи, которые называют контактолами. Они применяются при монтаже термо-
чувствительных элементов, при получении внутренних электрических соединений
в труднодоступных для сварки и пайки местах, при ремонте и т. д. Контактолы
представляют собой полимерные материалы, содержащие электропроводящие
наполнители. Наполнителем служит дисперсионное золото, высокодисперсионное
серебро с частицами сферической, чешуйчатой либо их смеси формы разме-
ром от 0,1 до 3,0 мкм. Также применяют никелевые порошки двух типов: кар-
бонильный никель с частицами сферической формы размером до 5 мкм и элект-
рооптический никель с частицами осколочной формы размером до 40 мкм. Ис-
пользуют посеребренные медные порошки, посеребренный никель, посеребренный
или помедненный графит, стекловолокно, покрытое серебром или никелем, а
также порошки талька, кварца и слюды, покрытие серебром в присутствии ПАВ.
Изготовление металлических наполнителей. Серебряный порошок можно
изготовить термическим распылением серебра в вакууме с последующим из-
мельчением в молотковой дробилке до получения зерен определенного размера
либо распылением расплавленного серебра струей воды.
Для создания высокодисперсного серебра используют контактное восста-
новление серебра на вращающемся медном стержне. Цилиндрическую поверх-
ность медного стержня декопируют в растворе персульфата аммония, а торце-
вую часть защищают электроизоляционным лаком. Затем стержень погружают
30 Заказ № 1270 465
в раствор, содержащий сульфанол и вращают с частотой 6...7 с-1. На цилинд-
рической поверхности осаждается дисперсное серебро, которое многократно
промывают дистиллированной водой, сушат этанолом и серным эфиром, раз-
рыхляют, высушивают при 333...343 К в течение 4...5 ч и просеивают через сито.
Получают серебряный порошок с низким сопротивлением восстановлением
серебра из раствора при помощи гидрохинона. К 1 дм3 молярного водного рас-
твора AgNO3 добавляют 2 мл HNO3, охлаждают до 293 Кив течение 30 мин
при непрерывном помешивании добавляют 1 дм3 0,62 М-водного раствора гид-
рохинона. Через 15 мин после начала добавления гидрохинола начинают до-
бавлять 500 см3 2 М-раствора ацетата натрия. Его также вводят в течение
30 мин. Реакция восстановления продолжается 4 ч. Полученный серебряный
порошок отфильтровывают, промывают в 10 дм3 воды и сушат в вакууме при
323 К. Выход серебра составляет 94,2%. Для повышения электропроводности
порошка серебра, выпускаемого промышленностью, рекомендуется промыть его
несколько раз 2%-ным раствором гидрохинола в метаноле.
Электропроводящие клеи. В качестве наполнителей можно использовать
готовые или свежеприготовленные порошки серебра. Большую часть клеев из-
готавливают на основе эпоксидных смол, обеспечивающих относительно высо-
кую прочность склеивания металлов и полупроводниковых материалов. Отвер-
дителями для них чаще всего служат амины, такие как полиэтиленполиамин,
диэтилентриамин, триэтилентетрамин, триэтаноламин, диметиланилин, димети-
или диэтиламинопропиламин, полиамиды, а также продукты, полученные при взаи-
модействии эпоксидной смолы с избытком амина. Клеи, содержащие амины,
могут отверждаться при невысокой и даже комнатной температуре.
Механические и электрические свойства клеевых соединений в значительной
степени зависят от технологии получения и отверждения клея. Для многих кле-
ев благоприятным является такой режим отверждения, при котором нагревание
проводят сначала при 343...373, а затем при 423...473 К.
Так, для сокращения продолжительности отверждения электропроводящего
клея в качестве основы применяют предварительно сшитый полимер, дисперги-
рованный в летучем растворителе, а для загущения клея и предотвращения
оседания серебра используют активные минеральные наполнители, такие как
диоксид кремния, силикат и карбонат кальция, алюмосиликат, оксид алюминия,
высокодисперсный каолин в количестве около 3% от массы полимера. Напри-
мер, клей получают, смешивая 80 г метилакрилата, 20 г метилметакрилата,
2 г этилендиакрилата, 1 г персульфата калия, 0,5 г бисульфата натрия, 2 г до-
децилбензольсульфоната натрия и 900 см3 воды. Смесь перемешивают при 333 К
в течение 10 ч до получения стабильной водной эмульсии полимера. Полимер
выделяют, отмывают, сушат и дробят в шаровой мельнице. Мелкораздроблен-
ный полимер (30 мае. ч). диспергируют в смеси, состоящей из 50 мае. ч. ацетона
и 50 мае. ч, бутилацетата или метилэтилкетона, потом добавляют 50 мае. ч.
серебра и 1 мае. ч. диоксида кремния. Полученный клей обладает
тиксотропными свойствами, благодаря чему серебро не оседает. Клей быстро
высыхает и имеет удельное сопротивление менее 0,01 Омм.
Разработан электропроводящий клей на основе алкил-а-цианакрилата, спо-
собный отверждаться при комнатной температуре менее чем за 1 ч. Мгновенная
полимеризация клея при введении серебряного порошка предотвращается тем,
что порошок предварительно смешивают с фреоном. В состав клея входит
100 мае. ч. алкил-а-цианакрилата, 300...600 мае. ч. серебра и 120...200 мае. ч.
фреона. Навеску порошка помещают в полиэтиленовую или фторопластовую
емкость, заливают фреоном так, чтобы он полностью смочил порошок. Получен-
ную смесь оставляют на воздухе до испарения 50...70% фреона, затем к по-
рошку добавляют алкил-а-цианакрилат, например этиловый эфир цианакриловой
кислоты, и перемешивают 2...3 мин. Клей жизнеспособен в течение 1...1,5 ч, а
продолжительность отверждения составляет 10... 15 мин.
Отечественная промышленность выпускает электропроводящие клеи на ос-
нове эпоксидных и акриловых олигомеров (табл. 10.34—10.36). В табл. 10.37
приведены значения сопротивлений клеевых соединений различных металлов.
Стабильность сопротивления клеевых соединений в процессе старения зави-
сит как от марки клея, так и от природы склеиваемого металла (табл. 10.38).
466
g Таблица 10.34. Характеристики электропроводящих клеев
Марка клея Связующее, мае. доля, % Наполнитель Отвердитель Разбавитель Срок хра- нения, мес. Жизне- способ- ность с отверди- телем Темпера- тура отвержде- ния, К Про- должи- тель- ность от- верж- дения, с Склеиваемые поверхности
К-8 Эпоксидный лак, 16 Серебро вос- становлен- ное — Этилцелло- зольв 6 6 мес. 393, 443 или 463 3 2 1 Серебряные, платиновые, медные, палла- диевые
К-13а Эпоксидный компаунд, 17,8 То же, по- лированное ПЭПА, 2,7 То же 6 24 ч при 273 К 343 10 То же
К-136 Акриловый лак, 13,7 То же — Циклогек- санон 1 30 сут 343 7 То же, и при- пои ПСрОС-3-58, ПОС-61
К-16 Акриловый лак, 20,5 Серебро по- лированное — То же 1 30 сут 423 или 443 4...6 2...4 Серебряные и припои ПСрОС-3-58, ПОС-61, аква- даг
ЭНКС-2 Эпоксидная смола Посереб- ренный ни- кель Полиамид Л-20, 10,7 Эпоксидная смола ЭА, 3 6 1,5...2 ч 353 или 353 и 383 12 2 3 Различные ме- таллы, керами- ка и пластмас- сы
ИР-145А о Эпоксидная смола, 50,4 То же ДЭТА или ПЭПА Эпоксидная смола, ТЭГ-1 6 30...40 мин 343 или 343 и 423 3 1 1 То же
Таблица 10.35
Наименование характеристики Значение характеристики клея
ЭЧТ Ы У 0.028.052 эчвт ЫУ 0.028.064 эчэ-н ЫУ о. 028.052 ЭЧЭ-С ЫУ 0.028.052 ЭК-А ЫУ0.028.017 эвт ЫУ0.028.030
Внешний вид Вязкая одно- Вязкая одно- Вязкая одно- Вязкая одно- Пастообразная Пастообразная
родная масса родная пасто- родная масса родная масса однородная однородная
белого цвета образная масса с зеленоватым оттенком темно-серого цвета светло-серого цвета масса серого цвета масса серого цвета
Диапазон рабо- чих темпера- гур, К 213...398 213...473 673 (30 мин) 723 (15 мин) 213...423 213...423 213...423 573 (2 ч) 213...423 673 (30 мин) 723 (15 мин)
Жизнеспособ- ность, ч 10 10... 12 с уско- рителем 4 4 16 10...12 ‘
Число компо- нентов 2 1 2 2 2 1
Вязкость по но- меру круга 6...8 5...8 7...10 8...10 7...9 5...10
Отверждение 6 (333 К) 3 (503...523 К) 1 (423 К) 1,5 (393 К) 5 (393 К) 3 (503...523 К)
(при темпера- туре), ч 2,5 (353 К) 1 (393 К) 3 (423...453 К) 1,5 (393 К) 2...2,5 (373 К) 3...4 (353 К) 5 (333 К) 1,5 (423 К)
Коэффициент теплопровод- ности, Вт/ (м -К) 0,5 0,8...1,0 3...6 4...6 2...3 4,0
Удельное объ- емное электри- ческое сопро- тивление, Ом -см Предел проч- ности на сдвиг, МПа, клеевых соединений: (0,7...1,0) -10-2 (3...4)-10-3 (2...4) • 10-3 (2...8) • 10-4
А1 = А1 — 4 5 6 7 4
Ni = Ni -— 6 7 10,2 13,3 6,2
Срок хранения, мес. 6 3 6 6 6 3
Таблица 10.36. Свойства электропроводящих клеев
Марка клея Удельное электрическое сопротивление, мк Ом-м Прочность клеевого соединения алюми- ния при сдвиге, МПа Максимальная рабочая температура, К
К-8 2...3 4..7 398
К-13а 10...200 4...5 358
К-136 1...5 2,5...3,5 373
К-16 (2...4) • 10-6 2,5...3,5 373
ЭНКС-2 50...100 7...10 373
ИР-145 А 50...100 7...10 398
Таблица 10.37. Переходные сопротивления клеевых соединений металлов
Р, Омм2
Марка клея Серебро Медь Никель Алюминий Золото Платина
К-8 К-12 К-13а КН-1 КН-11 К-15 5-Ю-10 1.1-10-8 1,5-Ю-6 5-10-® Ы0-8 7,5-Ю-9 9-10-10 2,6-10-9 1.7-10-7 1.5-10-6 2,5-Ю-9 7,5-Ю"9 5-Ю-10 1,2-Ю-9 6,5-Ю-8 2,6-Ю-8 2.5-10-8 2-10~9 1.5-10-6 1,2-Ю-8 5-Ю-9 1.5-10-8 2.5-10-8 1-Ю-8 3-Ю-9 1,3-10-8 2,5-10-8 l-Ю-8 1-ю-8 1,5-Ю-9 5-Ю-10 1,2-Ю-9 1-Ю-7 1,2-Ю-7 7,5-Ю-10 2-Ю-9
Таблица 10.38. Рекомендации по применению клеев
Марка клея Склеиваемые металлы
Ag | Pt | Pd | Au | Cu | Ni | Ai
К-8 К-11 К-12 К-13 К-15 КН-1 + + + - - - - — — _ 4- — — _ 4-4-4- 4-4- - 4-4-4- - + - - 4-4-4- -4- - - - - 4- 4-
В качестве наполнителей токопроводящих клеев, работающих при темпе-
ратурах до 573 К, используют порошкообразные Pb, Rh, Ru, графит, Ni, Mo,
Pt, Ir, W, Pb, Ni.
Клеи-контактолы (К-8, К-16, К-17, ТПК-1, ЭНКС-2, КТП-1) недостаточно
теплостойки, содержат в своей основе летучие токсичные растворители, которые
обусловливают нестабильную во времени консистенцию клея, что усложняет их
применение и создает неблагоприятные условия для сборки приборов.
Разработаны клеи в виде вязких подвижных паст (см. табл. 10.36), отли-
чающимся от клеев-контактолов отсутствием растворителей. В их состав входят
активные разбавители и пластификаторы, которые дают возможность регули-
ровать вязкость и обеспечивают ее высокую стабильность в течение всего срока
хранения.
Высокотеплостойкие клеи, например электропроводящий марки ЭЧВТ, явля-
ются однокомпонентными. Остальные клеи — двухкомпонентные, состоят из ос-
новы и отвердителя и поставляются потребителю в комплекте для перемешива-
ния непосредственно перед применением.
469
Электропроводящий клей ЭВТ предназначен для сборки полупроводниковых
приборов (табл. 10.36). Клей допускает возможность термокомпрессионного
присоединения выводов приборов при температуре около 673 К в течение
15...30 мин. Полученные клеевые соединения отличаются высокой электропро-
водностью (ру«5-10~4 Ом-см), хорошей адгезией к элементам конструкций'
приборов (2,5...7,1 МПа), устойчивым к длительному воздействию влаги. Клей
ЭЧВТ является изоляционным вариантом клея ЭВТ и обладает меньшей теп-
лопроводностью.
Электропроводящий клей ЭК-А на основе эпоксикремнийорганической смо-
лы предназначен для сборки цифровых полупроводниковых индикаторов и све-
тодиодов. По консистенции клей представляет собой однородную пастообразную
массу. Диапазон рабочих температур клея 213...123 К, кратковременно (2 ч)
клей выдерживает температуру 573 К.
Для сборки изделий, не допускающих воздействия высоких температур,
разработаны клеевые композиции марок ЭЧЭ, ЭЧТ. Клей марки ЭЧЭ пред-
ставляет собой электропроводящую, а ЭЧТ — теплопроводящую композицию.
Клей ЭЧЭ разработан в двух вариантах: ЭЧЭ-С, наполненный серебром, и
ЭЧЭ-Н, наполненный никелем. Эти клеи способны отверждаться при температу-
рах 323...333 К, однако в зависимости от потребностей производства могут от-
верждаться и при более высокой температуре. При этом сокращается время
отверждения. Для этих марок клеев рекомендовано несколько режимов отверж-
дения и при использовании клея можно выбрать наиболее приемлемый вариант.
10.8. Беспроволочный монтаж
Беспроволочный монтаж выполняется по нескольким схемам, различаю-
щимся конструктивным исполнением соединяемых элементов (рис. 10.44). Наи-
большее развитие получил метод монтажа лепестковых («паучковых») выводов
к кристаллу и внешним выводам корпуса или к контактным площадкам кера-
мической подложки (рис. 10.44, а).
Для присоединения навесных элементов в гибридных схемах широко ис-
пользуется монтаж методом «перевернутого» кристалла с жесткими контактны-
ми выступами (столбиками) на подложке или кристалле (рис. 10.44,6). Находит
применение и метод монтажа с балочными выводами, причем балки могут
создаваться как на кристалле полупроводникового прибора, так и на подложке
гибридной схемы (рис. 10.44, в). При беспроволочных методах монтажа приме-
няются разнообразные сочетания свариваемых материалов (Al-Al, Al-Au, Au-Au,
Cu-Sn-Au и др.) и типы соединений. В этих методах используются в основном
Рис. 10.44. Схемы беспроволочного
монтажа микросхем:
1 — кристалл ИС; 2 — лепестковые выводы
(«паучки»); 3 — внешние выводы корпуса
(ковар, покрытый золотом или алюмини-
ем); 4 — подложка схемы из керамики;
5 — столбиковые жесткие выводы (высту-
пы); 6 — «балочные» выводы
Рис. 10.45. Конструкция столбиково-
го вывода полупроводниковой ми-
кросхемы:
1 — алюминиевая металлизация; 2 — адге-
зионный подслой ванадия; 3 — пассивирую-
щий слой ванадия; 4 — гальванический
медный столбик; 5 — припой ПОС-61;
6 — гальванический припой олово-висмут;
7 — фоторезист; 8 — напыленный слой ме-
ди; 9 — пассивирующий окисел
470
групповые способы сварки (пайки). Основу метода перевернутого кристалла
составляют объемные столбиковые (шариковые) выводы (ОСВ), располагаемые
на металлизированных контактных площадках пассивных либо активных под-
ложек.
При создании объемных выводов на контактные зоны кристалла либо под-
ложки, предназначенные для внешней коммутации, напаивают маленькие мед-
ные шарики или наносят выступы в виде столбиков, например, осаждением
алюминия. Вначале кристалл покрывается тонким защитным слоем стекла.
В этом слое вскрывают окна, в которые осаждают алюминиевые контактные
площадки, и наносят трехслойную структуру Cr-Cu-Au. Хром служит в качестве
защитного барьера против диффузии расплавленного припоя, слой золота за-
щищает поверхность меди от окисления. Припой можно наносить электролити-
ческим способом или вакуумным напылением. В подготовленные таким образом
контактные отверстия помещают медные шарики диаметром приблизительно
130 мкм, покрытые слоем никеля и золота. Слой никеля способствует умень-
шению образования сплава медь-олово на поверхности шарика при пайке. Зо-
лотое покрытие сохраняет паяемость шариков во время длительного хранения;
маленькие шарики распределяются на пластине при помощи шаблона или виб-
рации перед разделением на кристаллы. Затем шарики впаивают в печи.
Конструкция ОСВ показана на рис. 10.45. Технологический процесс его из-
готовления включает нанесение поверх алюминиевой металлизации слоя защит-
ного диэлектрика, вкрытие контактных окон и нанесение технологического слоя
меди с адгезионным и пассивирующим слоями, дальнейшее локальное гальва-
ническое выращивание медного столбика при защите фоторезистом, гальваниче-
ское покрытие буферным слоем, снятие технологических слоев и горячее луже-
ние, завершающее процесс.
Конструкция ОСВ представляет собой многослойную систему металлов, ко-
торая частично пересекается линиями тока вдоль тонкого слоя и частично по-
перек. Расчетная оценка электрического сопротивления контакта /?к ОСВ рас-
сматриваемой конструкции равна примерно 10~2...10_3 Ом. Реальные значе-
ния могут быть получены при применении 4-зондового измерения
(рис. 10.46,а). Зонды 1 и 3 являются токовыми, а 2 и 4 — потенциальными,
при этом 1 и 4 устанавливаются на алюминиевую металлизацию, а 2 и 3 на
исследуемый ОСВ. Упрощенная эквивалентная схема приведена на рис. 10.46, б.
Измерение компенсационным методом потенциала U2,4 при наличии переходно-
го слоя повышенного сопротивления RK дает возможность относительно строго
судить о его значении. Измеренные таким образом /?к имеют широкий диапа-
зон значений — 10~3...103 Ом и более.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) контакта (рис. 10.47, а) имеет вы-
раженный участок отрицательного сопротивления s-типа, ОСВ с ВАХ такого
вида имеют два устойчивых состояния — высоко- и низкоомное, а переход от
первого ко второму осуществляется скачком при приложении некоторого пре-
дельного значения напряжения Uap. Значение может достигать 100 В, од-
нако наиболее типичное значение 1...1,5 В. Стандартные методики контроля,
при которых предполагается применение больших измерительных напряжений,
чем Unp, дают результаты, характеризуемые участком низкого сопротивления.
Рис. 10.46. Схема 4-зондового измерения контактного сопротивления RK стол-
бикового вывода:
а — сечение ОСВ и расположение зондов; б — упрощенная принципиальная электрическая
схема: /?с12 — сопротивление столбика; /?ш1 2— сопротивление шины)
б/
471
Рис. 10.47. Вольт-амперные характеристики деградированных столбиковых
выводов:
а — с тонким диэлектриком; б — с толстым диэлектриком при 7’=293 и 313 К
Такое же поведение RK характерно для некоторых видов тонкопленочных дио-
дов на халькогенидных полупроводниковых стеклах, а также на диэлектриче-
ских пленках типа Nb3Os, А120з и других материалах. Наблюдавшиеся ВАХ
другого типа, как правило, оказываются вариантом ВАХ, показанной на
рис. 10.47, а, но с большим временем «восстановления» повышенного сопротив-
ления. Наиболее долговременные процессы «восстановления» сопротивления на-
блюдаются при полном выгорании канала в диэлектрике с последующим его
химическим восстановлением. Процесс такого рода может быть весьма длитель-
ным и в зависимости от условий протекать несколько минут или суток.
При экстремальных значениях {7Пр возможно исследование методом квази-
статических ВАХ или так называемым методом вольт-амперных петель. Этот
метод позволяет исследовать конденсаторные структуры при наличии значи-
тельных низкочастотных потерь.
На рис. 10.47, б приведена измеренная на инфранизких частотах квазиста-
тическая ВАХ, скачок проводимости в которой соответствует емкости С=10 пФ,
что для диэлектрической проницаемости е=10 при площади ОСВ 5=5-10~3 мм2
дает толщину диэлектрика «45 нм. На выводах с повышенным RK наблюда-
ется резкое уменьшение усилия отрыва столбикового вывода (до 0,1...0,2 Н),
что свидетельствует о потере в процессе деградации адгезии ОСВ к кристаллу.
Деградация ОСВ является следствием коррозии алюминия. Коррозия алю-
миния стимулируется наличием ионных загрязнений и большой разностью элект-
рохимических потенциалов меди и алюминия. Скорость деградации лимитируется
поступлением влаги к границе ОСВ — кристалл.
Характерным примером такой реакции может служить реакция коррозии
алюминия в присутствии следов хлора:
6НС14- 2 А1 —^2 Al С14- ЗН2|
А1С1з4-ЗН2О—->А1(ОН)3 4-ЗНС1.
Продуктом этой реакции является гидроокись алюминия, обычно желеоб-
разной консистенции (рис. 10.48). Примечательно обратное выделение НС1,
Рис. 10.48. Вид микросхемы с
деградировавшими ОСВ (кор-
розионный процесс не вышел
из-под основания вывода)
472
которое не расходуется и может вновь принять участие в процессе. Со временем
гидроокись алюминия разлагается
2А1 (ОН) з+1—> А120з+ЗН2О
с образованием изолирующего окисла алюминия.
Высокая пористость наносимого окисла или наличие микротрещин, легко
образующихся вокруг ОСВ, способствует возникновению и развитию коррозии.
Методом ускоренных испытаний для ОСВ может быть проведена обработка в
парах воды при повышенной температуре.
Таблица 10.39. Сопротивление объемных столбиковых выводов Ом,
различных конструкций, прошедших испытания в течение 2000 ч
Значения темпера- туры при испыта- ниях, К Стандартная конструкция Открытая конструкция Конструкция с улучшенной герметизацией перехода
423 8 6 0,6
298 (пары Н2О) 25 73 0,60
353 (пары Н2О) 51 (отдельные обрывы) Сплошные обрывы, потери адгезии 1
В табл. 10.39 приведены средние значения /?к для трех конструкций ОСВ.
Совершенно очевидна роль элементов местной защиты границы раздела Си-А1 —
открытые ОСВ немедленно деградируют.
Для предотвращения или замедления коррозии необходимо:
1) исключение из технологического процесса реактивов, действующих как
катализатор коррозии, а из конструкции — мест, потенциально способных акку-
мулировать такие вещества. Например, исключительно опасен капиллярный за-
зор под основанием ОСВ, образующийся при гальваническом наращивании
столбика, макропоры в медном столбике и окисле, остатки фоторезистора и т. п.;
2) герметизация границы раздела Си-Al от попадания туда влаги;
3) модифицирование А1 близ поверхности раздела Си-Al, увеличивающее
его коррозионную стойкость и выравнивающее разность электрохимических по-
тенциалов с медью.
Рис. 10.49. Способы совмещения выводов с контактными
таже перевернутого кристалла:
а, б—с помощью полупрозрачного зеркала; в — с помощью
площадками при мон-
направляющего отверстия
473
Совмещение выступов (столбиков, шариков) с контактными площадками
подложки производится непосредственно на установке присоединения выводов
(рис. 10.49). При этом кристалл 3 захватывается из кассеты инструментом-при-
сосом 2 и переносится к контактным площадкам 5 подложки 6. Ориентацию
можно выполнять визуально путем наблюдения через полупрозрачное зеркало 4
картины расположения выводов относительно контактных площадок и совмеще-
ния их с помощью микроскопа 1 или проектора (рис. 10.49, а, б) или с помощью
специального центрирующего отверстия — фильера 7, предварительно ориенти-
рованного относительно контактных площадок (рис. 10.49, в).
В первом случае одновременно наблюдают выступы и контактные площадки
и за счет перемещения рабочего стола добиваются их совмещения. После сов-
мещения полупрозрачное зеркало смещается, а инструмент с кристаллом пере-
мещается вниз. При ориентации по схеме (рис. 10.49, а) требуется строго сим-
метричное расположение контактных выступов и контактных площадок отно-
сительно полупрозрачного покрытия.
Во втором случае (рис. 10.49, в) вначале визуально совмещают отверстие
с контактными площадками, затем при опускании инструмента-присоса центри-
руют кристалл за счет смещения его в горизонтальной плоскости. Точность это-
го и других методов механического базирования невысока из-за низкого каче-
ства кромок кристалла. Согласно условию прочности соединения проекция кон-
тактного выступа не должна выходить за кромку контактной площадки более
чем на 0,3d, где d — диаметр выступа.
Присоединение методом перевернутого кристалла при одинаковой высоте
контактных площадок на подложке и кристалле производится за один рабо-
чий цикл независимо от числа контактных площадок. Для присоединения мето-
дом перевернутого кристалла на подложке возможно создание алюминиевых
контактных площадок толщиной несколько микрометров с последующим их сов-
мещением с алюминиевыми контактными площадками кристалла и образованием
с помощью УЗ-сварки.
Таблица 10.40. Характеристика установок для микроконтактирования
кристаллов с жесткими выводами
Наименование параметра Значение параметра
ЭМ-431 I ЭМ-432
Производительность, кристалл/ч 400 4000
Число одновременно присоединяемых кри- сталлов Усилие сжатия присоединяемых элемен- тов, Н: 1 10
основное 1...7 100...700
дополнительное 3,5-15 —
Температура импульсного нагрева инстру- мента, К 423...723 423...723
Температура нагрева рабочего стола, К 373...623 —
Частота УЗ-генератора, кГц 53...61 59...61
Максимальная мощность УЗ-генератора, Вт 10 63
Диапазон регулирования времени присоеди- нения, с 0,2...4,5 0,2...4,5
Для реализации методов беспроволочного монтажа, в частности метода пе-
ревернутого кристалла, используют установки ЭМ-431 и ЭМ-432 (табл. 10.40).
Установка ЭМ-431—однопозиционная с автоматизированным циклом. Установ-
ка ЭМ-432 — многокомпозиционная с полностью автоматизированным рабочим
циклом от загрузки до выгрузки подложек. На ней одновременно присоединя-
ется 10 кристаллов. Соответственно имеется и 10 сварочных головок, поворот-
ный стол для перемещения подложек от одной рабочей позиции к другой.
474
В установке используется юстировка сборочного приспособления для совмеще-
ния выбранной контактной площадки или базового элемента топологии с пере-
крытием проектора микроскопа.
Кристаллы базируются в специальных ловителях с конусными отверстиями.
При опускании сварочных элементов на подложку кристаллы входят в отвер-
стия ловителей и центрируются в них. Установка легко переналаживается с
одного типоразмера подложки на другой и с одного типоразмера кристалла
на другой.
Глава 11
Герметизация микроэлектронных устройств
11.1. Конструктивно-технологические разновидности герметизации
Корпусная герметизация предполагает предварительное изготовление эле-
ментов корпуса — основания с изолированными выводами, крышки и вспомо-
гательных деталей. После монтажа кристалла (подложки) на основание и при-
соединения выводов устанавливают крышку, в результате чего образуется по-
лый замкнутый объем.
При бескорпусной герметизации предварительно изготовляют лишь мини-
мально необходимую арматуру — систему внешних выводов, а изготовление кор-
пуса совмещают с процессом герметизации. Кристалл (подложку), соединенный
с внешними выводами, в этом случае заливают полимерными компаундами.
При этом компаунд заполняет все конструктивные промежутки.
При комбинированной герметизации предварительно изготовляют капсулу
в виде металлического колпачка, в которой устанавливают сборку подложки с
выводами и заливают герметизирующим компаундом.
Полимерные, пластмассовые и металлополимерные корпуса не обеспечивают
надежной защиты от воздействия влаги, так как молекулы воды способны про-
никать (хотя и медленно) через толщу любого герметика. Кроме того, поли-
мерные материалы имеют ТКР, примерно на порядок выше, чем металлические
выводы, что приводит к образованию микроканалов вдоль выводов, по кото-
рым влага может проникать к активной части микросхемы.
Вакуум-плотную герметизацию обеспечивают металлические, стеклянные и
керамические корпуса, детали которых (основание и крышку) соединяют с по-
мощью сварки или пайки.
В ряде случаев приходится дополнительно герметизировать кристалл микро-
схемы, нанося на его верхнюю плоскость каплю полимерного герметика
(рис. 11.1). При этом наблюдаются обрывы тонких проводников разводки. Эти
обрывы вызывают внутренние напряжения, возникающие в полимере. Полимер,
нанесенный на кристалл, испытывая в результате охлаждения (после отвержде-
ния) термическую усадку, стремится сжаться. Казалось бы, он должен при-
жимать к кристаллу проходящие через него проводники разводки, а не отры-
вать их. В действительности вместо упрочняющего действия наблюдается
обратное — полимер обрывает тонкие проводники.
При комнатной температуре внутренние напряжения, возникающие в слое
полимерного герметика, нанесенного на поверхность кристалла микросхемы,
достигают значений, близких к пределу прочности полимера. Наибольшие на-
пряжения наблюдаются у края полимерного слоя. Особенно велики и опасны
касательные напряжения, действующие в плоскости сопряжения полимера с под-
Рис. 11.1. Сечение микросхемы с до-
полнительной полимерной герметизацией:
1 — капля полимерного герметика; 2 — про-
водники разводки; 3 — крышка; 4 — керами-
ческий корпус; 5 — кристалл микросхемы
475
ложкой; они тем больше, чем больше угол сопряжения, образуемый полимером.
Если угол сопряжения превышает 30°, то уже при комнатной температуре меж-
ду полимером и подложкой появляется трещина, растущая от края вглубь.
Рост трещины неравномерный; после начальной быстрой стадии наступает прак-
тическая стабилизация трещины, что связано с перераспределением напряжений
в ее вершине.
Местом наибольшей концентрации касательных напряжений и образования
трещины является зона шириной 0,3 мм у края кристалла, где проходят про-
водники разводки. Видимо, именно трещиной и высоким касательным напря-
жением объясняются их обрывы. Следовательно, защиту кристалла каплей жест-
кого полимера нельзя считать достаточно надежной.
Для уменьшения вероятности появления обрывов следует уменьшить угол
сопряжения полимера или заменить жесткий герметик эластичным, в котором
внутренние напряжения очень низки, а появление трещины не вызывает обрыва
проводников.
11.2. Корпусная герметизация на основе неорганических
материалов
Герметизация в корпусах предусматривает защиту от климатических и ме-
ханических воздействий. Корпуса изготовляются на основе не сорбирующих
влагу неорганических материалов (металл, стекло, керамика). Проходная арма-
тура (выводы, теплоотводы), а также герметизация мест соединения отдельных
деталей в них выполняются вакуум-плотными материалами (натекание не бо-
лее 10~6 л-мкм/с).
76
Основной конструктивный материал для изготовления корпусов определяет
их название. Распространение получили металлостеклянные, металлокерамиче-
ские и пластмассовые корпуса. Металлостеклянный корпус имеет металлическую
крышку и стеклянное (или металлическое) основание с изоляцией и креплением
выводов стеклом, крышка присоединяется к основанию сваркой или пайкой.
Металлокерамический корпус имеет керамическую крышку и основание, которые
соединяются пайкой. Пластмассовый корпус имеет пластмассовое тело, полу-
ченное путем опрессовки кристалла в рамках выводов.
Конструкции корпусов выполнены по ГОСТ 17467—79 «Микросхемы инте-
гральные. Основные размеры», в котором установлены требования к формам
и размерам корпусов микросхем.
Корпуса для герметизации подразделяются на пять типов в зависимости
от формы проекции тела корпуса на плоскость основания и расположения вы-
водов корпуса (табл. 11.1, рис. 11.2).
Таблица 11.1. Классификация корпусов по их форме и расположению выводов
Тип корпуса Подтип корпуса Форма проекции тела корпуса на плоскость основания Расположение проекции выводов (выводных площа- док) на плоскость основания Расположение выводов (выводных площадок) относительно плоскости основания
11 Прямоуголь- ная В пределах проекции те- ла корпуса Перпендикулярное, в один ряд
11 То же То же Перпендикулярное, в два ряда
1 13 » » Перпендикулярное, в три ряда и более
14 » » Перпендикулярное, по контуру прямоугольника
21 Прямоуголь- ная За пределами проекции тела корпуса Перпендикулярное, в два ряда
2 22 То же То же Перпендикулярное, в че- тыре ряда в шахматном порядке
31 Круглая В пределах проекции те- ла корпуса Перпендикулярное, по одной окружности
3 32 Овальная То же То же
33 Круглая За пределами проекции тела корпуса »
41 Прямоуголь- ная За пределами тела кор- пуса Параллельное, по двум противоположным сто- ронам
4 42 То же То же Параллельное, по четы- рем сторонам
5 51 » В пределах проекции те- ла корпуса Перпендикулярное для боковых выводных пло- щадок; в плоскости ос- нования для нижних вы- водных площадок
Корпус 1-го типа содержит выводы, перпендикулярные плоскости основания
и расположенные в пределах проекции тела корпуса на плоскость основания
(рис. 11.2, а). Корпус 2-го типа с прямоугольными выводами, перпендикуляр-
ными плоскости основания корпуса и выходящими за пределы проекции тела
корпуса на плоскость основания, изображен на рис. 11 2, б, круглый корпус
с выводами, перпендикулярными основанию корпуса и расположенными в пре-
477
делах проекции тела корпуса на плоскость основания (корпус 3-го типа), по-
казан на рис. 11.2,в. Прямоугольный корпус с выводами, расположенными па-
раллельно плоскости основания и выходящими за пределы проекции его тела на
плоскость основания (корпус 4-го типа), приведен на рис. 11.2,г. Корпус
5-го типа — прямоугольный плоский «безвыводный» (за рубежом подобные кор-
пуса называют «кристаллоносителями»). Электрические соединения микросхемы,
размещенной в таком корпусе, осуществляются с помощью металлизированных
контактных площадок по периметру корпуса (рис. 11.2, д).
Выбор диэлектрических и металлических материалов для деталей и узлов
корпусов определяется требованием согласования их по температурным коэффи-
циентам расширения. Свойства основных материалов для корпусов приведены
в табл. 11.2 и 11.3.
Таблица 11.2. Основные свойства металлов и сплавов, применяемых
в конструкциях корпусов микросхем
Состав материала Плотность р, г/см3 Температура плавления, К Средний ко- эффициент расширения (при 300...500 К) аХ10~7' К-1 Теплопровод- ность (при 300 К). Вт/(м-К) Удельная теплоемкость при 300 К* । кДж/кг«К
Сплав 29НК (ковар):
Ni—29%, Со-18%, Fe — 53% 8,3 1723 48 20 0,5
Никель 8,85 1725 133 92 0,457
Медь Сплав 47НД: 8,9 1356 165 395 0,384
Ni—47%, Си—5%, Fe — 48% 8,2 1723 90...91 25,2 0,5
Молибден 10,4 2933 55±2 162 0,262
Вольфрам 19,4 3673 44,4 130 0,134
Герметизация выводов в металлических корпусах осуществляется стеклян-
ными бусами или стеклотаблетками. Бусами изолируется каждый вывод в от-
дельности, а стеклотаблетками — группа выводов. Надежное соединение между
металлом и стеклом возникает в результате частичного растворения окисла
металла в стекле. Поэтому перед защитой кристаллов стеклами или перед
соединением вывода со стеклянным изолятором в металлостеклянных корпусах
металлические поверхности оксидируют.
Таблица 11.3. Основные свойства диэлектриков, применяемых в конструкциях
Материал Химический состав основных
S1O2 в20з А12О3 СЮ MgO ВаО
Стекло С48-2 Стекло С49-2 Стекло С72-4 Стекло С88-1 Керамика 22ХС Керамика «Поликор» 66,3 20,9 3,5 — — — 68,2 19,0 3,5 — — — 63,0 4,5 1,5 7,0 — 12,0 67,5 — 5,0 — — 12,0 2,76 — 94,6 — — — — — 99,7 — 0,3 —
478
Рис. 11.3. Конструкции герметических выводов корпусов на основе неорганиче-
ских материалов:
а, б — керамические корпуса; в, г — металлостеклянные;
1— круглая припаянная крышка (ковар); 2— слой металла; 3 — керамическое кольцо;
4 — вывод (ковар); 5 — основание (керамика); 6 — крышка (керамика); 7 — слой металла
или клеевой шов; 8 — крышка (нержавеющая сталь, ковар); 9 — изолятор (стекло);
10 — основание (ковар); 11 — кольцо (ковар)
Узел вывода — тело корпуса (гермовывод)—является критичным у всех
корпусов, так как механические нагрузки на выводы при монтаже корпусов
могут привести к потере герметичности узла. Конструкции герметичных выводов
представлены на рис. 11.3.
По габаритным и присоединительным размерам сходные по конструкции
корпуса подразделяются на типоразмеры, каждому из которых присваивается
шифр, состоящий из обозначения подтипа корпуса (два разряда) и порядко-
вого номера типоразмера (два разряда). Шаг выводов для корпусов 1-го
и 2-го типов установлен 2,5 мм, для корпусов 4-го и 5-го типов — 0,625; 1,0 и
1,25 мм. Выводы могут иметь сечение круглой или прямоугольной формы. Ха-
рактеристики корпусов для микросхем массового применения приведены в
табл. 11.4.
Для герметизации корпусов применяют контактную сварку, сварку давле-
нием, плавлением (электронным лучом, лазером, микроплазмой, аргонодуговой
сваркой), пайку припоями, стеклом и др.
Конструктивно-технологические ограничения при использовании вакуум-
плотных корпусов приведены в табл. 11.5.
11.3. Герметизация корпусов контактной сваркой
Контактная сварка — соединение основано на выделении теплоты в зоне
контакта соединяемых деталей за счет прохождения электрического тока. Для
сокращения времени процесса и ограничения зоны нагрева сварку осуществля-
ют коротким импульсом сильного тока. Это возможно при конденсаторной
сварке (рис. 11.4), в которой используется разряд конденсаторной батареи на
корпусов микросхем
компонентов ТКР (при 300...500 К) аХ IO" 7, К-1 Прочность при растя- жении оХЮ-7, Н/М2 Прочность при сжатии, аХ 10—7, Н/м2 Темпера- тура размягче- ния, К Теплопро- водность, Вт/(м-К)
Na2O К2О L12O
3,0 5,0 0,2 48±1,5 — — 843 —
4,8 4,5 — 49± 1 3...5 — 858 0,84
2,0 5,0 1,0 72±2 — — 873 —
7,0 7,0 0,6 88± 1 — — 773 —
— — — 80 20 170 — 14,7
— — — 70...76 21 210 2000 25...38
479
Таблица 11.4. Характеристики корпусов микросхем
Условное обозначение по ГОСТ 17467-79 Габаритные размеры корпуса, мм Размер монтажной площадки, мм Расс юяние между ряда- ми выводов, мм Наличие металлизации
на мон- тажной площадке на плос- кости основания
151.15-4, 151.15-5, 19,5X14,5X5,0 14,0X6,2 10,0 + —
151.15-6, 1203.15-1, + —
1203.15-2 + —
+ —
— +
157.29-1 39,0X29,0X5,0 34,0X20,0 22,5 —
201.14-8, 201.14-9 19,2X7,5X5,0 4,2 X 3,2 7,5 + —
201.14-10, 2102.14-2 5,0X3,0 + —
2102.14-3 3,9 X 2,9 + 4-
+ —
201.16-5, 201.16-6 19,5x7,5x5,5 4,2x3,2 7,5 — —
201.16-8 5,0X3,0 + —
+ +
201.16-13, 201.16-15 19,2X7,5X5,0 4,4 х 2,2 7,5 +
201.16-17 7,0X3,5 — —
4- —
201.А. 16-1 19,2X10,0X4,65 6,0 X 5,0 10,0 4- —
210А.22-1 28,0X9,8x4,95 5,0х4,0 10,0 4- —
210Б.24-1 29,5X14,8X4,5 7,5X7,5 15,0 + —
210Б.24-3 — —
244.48-11 31,0X25,0X3,8 0 = 8,0 20,0; 4- —
25,0
301.8-2 £> = 9,5; /7=4,8 D=3,0 — 4- —
301.12-1 4- —
302.8-1 £>=9,5; // = 5,5 4- —
311.8-1 39,0X25,0X7,0 0=8,0 — 4- +
311.8-2 4- +
311.10-1 4- +
401.14-3 10,0X6,5X2,3 4,9 X 2,0 — — —
401.14-4 10,0X6,7X2,2 + +
401.14-5 + +
402.16-21 12,0X9,4X2,7 5,2x3,1 — — —
402.16-23 4- —
402.16-25 — 4- +
402.16-32 4- +
402.16-33 4,1X3,1 — —
402.16-18 12,8X9,4X2,8 5,5x4,5 — 4- 4-
4112.16-1 — —
4112.16-2 4- +
4112.16-3 4- +
4131.24-1 19,7X15,8X3,05 10,7X8,4 4* —
4131.24-2 — —
4131.24-3 7,5X7,5 — 4- +
4119.28-1 18,25X2,75X3,0 5,0 X 5,0 — 4- +
4119.28-2 — +
4122.40-1 25,75X12,7X3,0 6,0 X 5,0 —. 4- —
4122.40-2 — 4-
429.42-1 26,6X16,75X2,9 6,2X6,2 — 4- —
429.42-3 — —
Примечание. D — диаметр, Н — высота корпуса.
480
Таблица 11.5. Некоторые конструктивно-технологические ограничения при
использовании вакуум-плотных корпусов
Способ герметизации Марки соединяемых материалов Оптимальная ширина зоны контактиро- вания, мм Оптимальная толщина кро- мок соединя- емых деталей, мм Радиус зак- ругления в углах, мм Минимальное расстояние от свариваемых кромок, мм
Контактная сварка 29НК-29НК 29НК-НП2 (1...2) S** 0,2...0,5 >1,0 1,5...2,5*
Электронно- лучевая сварка 29НК-29НК 29НК-НП2 0,5* 0,25...0,3* 1,0 До керами- ческих дета- лей 1,0; до металло- стеклянного спая 2,5
Пайка мяг- кими при- поями ПОС-61, ПСр-2,5 29НК-22ХС или «Пели- кор», метал- лизирован- ные пастой 0,6 0,1* или бо- лее для ме- таллостек- лянного спая Не ограни чивается До металло- стеклянного спая 0,1*
Аргоноду- говая свар- ка 29НК-29НК 0,8* или бо- лее 0,3...0,5 0,8...1,0 До металло- стеклянного спая 2,5
Рекомендуемые ограничения не регламентированы.
Максимальная толщина детали.
первичную обмотку сварочного трансформатора. Вторичная обмотка соединена
с электродами, выполняющими роль сварочного инструмента.
Конденсаторную сварку осуществляют неподвижными полыми или подвиж-
ными инструментами, которые в процессе сварки прокатываются по периметру
корпуса. При больших периметрах корпусов предпочтительна роликовая сварка,
так как при этом снижаются нагрев корпуса и необходимые усилия, а также
не требуется высокая герметическая точность инструмента.
При сварке неподвижными электродами свариваемый узел устанавливают
в гнездо нижнего электрода, верхний электрод при опускании центрирует крыш-
ку и сжимает детали с удельным давлением 50...100 Н/мм2. Поскольку при
Рис. 11.4. Схема конденсаторной сварки неподвижными инструментами-элек-
тродами:
/ — герметизируемый корпус; 2 — электроды; 3 — электрическая цепь сварочной машины
31 Заказ № 1270 481
Рис. 11.5. Специальные рельефы на эле-
ментах корпуса, герметизируемого конден-
саторной электросваркой:
1 — крышка; 2 — основание
Рис. 11.6. Электроды для конденса-
торной сварки:
а — комбинированный; б — монолитный;
/ — основание; 2 — рабочая часть; 3 —
фиксатор для центровки электродов
Рис. 11.7. Способы увеличения кон-
тактного сопротивления касанием
ножки наклонным фланцем балло-
на (а) или его торцом (6):
нагреве за счет сварочного импульса происходит коробление шва, целесооб-
разно дополнительно сжимать детали, т. е. создавать осадку. Рабочий цикл
(сжатие электродов, сварочный импульс, осадка и подъем электрода) выпол-
няются на установках автоматически. Оптимальный режим сжатия устанавли-
вается варьированием емкости конденсаторной батареи, напряжения зарядки,
коэффициента трансформации и усилия сжатия.
Влияние усилия сжатия на параметры импульса проявляется через контакт-
ное сопротивление свариваемых деталей: с увеличением усилия контактное
сопротивление уменьшается, время разрядки при прочих постоянных парамет-
рах сокращается (x—RC), а пиковое значение тока возрастает. При выбран-
ных значениях емкости батареи С и напряжения зарядки U подводимая в зону
сварки энергия остается постоянной и равной CU2/2, что является преимущест-
вом конденсаторной сварки. В то же время для концентрации выделяющейся
в области контакта свариваемых деталей теплоты сопротивление контакта /?,
а следовательно, и начальное усилие сжатия должны быть оптимальными. Для
повышения контактного сопротивления основание — крышка (оно должно быть
существенно выше контактного сопротивления электрод — деталь) на одной
из свариваемых деталей предусматривают специальный рельеф по контуру
(рис. 11.5).
Электроды (рис. 11.6) должны обладать высокой электро- и теплопровод-
ностью при высокой твердости (по Бриннелю не ниже 1 кН/мм2) и износостой-
кости. Монолитные электроды выполняют из бронзы марок БрБ2, БрХБ или
БрНБТ. Основание комбинированных электродов изготовляют из меди марок
Ml, М2 или М3, а рабочую часть—-из сплава ВМ (20...30 мае.% Си,
70...80 мае.% W). Для обеспечения минимального теплового сопротивления на-
конечник припаивают к основанию серебряным припоем. Фиксатор для цент-
ровки электродов изготовляют из латуни ЛС59-1.
При роликовой сварке требуется предварительно приварить (прихватить)
крышку к основанию в нескольких точках, для чего используют специальные
фиксирующие приспособления. Роликовая сварка осуществляется при подаче
сварочных^ импульсов с частотой 50 Гц.
В процессе роликовой сварки контактное сопротивление между крышкой
и основанием корпуса изменяется сложным образом, в соответствии с чем из-
меняется и подводимая в зону сварки мощность. Регулирование режима сварки
основано на изменении выходной мощности в зависимости от контактного со-
противления, измеряемого между импульсами в процессе сварки.
При герметизации методами контактной сварки не требуется высокой
пластичности соединяемых материалов, есть возможность соединять тонкостен-
ные (до 0,15 мм) детали, а также автоматизировать процесс. Недостатком
является невозможность сваривать медь и другие высокотеплопроводные ме-
таллы, а также высокие требования к плоскостности равномерности толщины
соединяемых деталей.
£82
Конструкция корпуса должна исключать возможность выплеска металле
внутрь корпуса. Типы корпусов, спроектированных под контактную сварку,
приведены на рис. 11.2, б, в. Наилучшее качество сварного шва обеспечивается
при соединении деталей из ковара 29НК или сплава 47НД с деталями из ни-
келя НП-2, стали Х18Н10Т. Детали из ковара и сплава 47НД обычно гальва-
нически никелируются.
Контактную рельефную конденсаторную сварку по контуру по тепловому
воздействию на корпус можно отнести к разряду низкотемпературных. В этом
процессе длительность сварочного импульса настолько мала (20...80 мс), что
выделяемая теплота не успевает распространиться в глубь тела корпуса, а
преимущественно отводится в электроды, которые обычно выполняются из мед-
ных сплавов с высокой теплопроводностью. Например, температура в центре
основания наиболее распространенного корпуса типа ТО-5 к концу сварочного
импульса едва достигает 313 К. Однако при этом необходимо учитывать, что
отбортовка кромок корпуса, испытывающая значительный разогрев (более
1273 К) и удельное давление (12...18) • 107 Па, подвергается заметной дефор-
мации, которая может вызвать напряженное состояние спая, а в некоторых
случаях привести к его разрушению.
При импульсной шовной сварке наблюдается большой нагрев элементов
корпуса. Например, в течение 1 с от начала сварки температура на крышке
размером 10X10 мм достигает 383 К, а к концу сварки (через 3...6 с) повыша-
ется до 493...523 К. При этом температура в центре керамического основания
корпуса достигает 323 и 383 К соответственно.
Для повышения качества и стабильности конденсаторной сварки по контуру
в некоторых случаях отбортовке деталей специально придают наклонную кон-
фигурацию (рис. 11.7), а сварку осуществляют за счет контакта острой кромки
отбортовки одной из деталей с плоской поверхностью отбортовки другой детали.
Для снижения температурного градиента при сварке осуществляют предва-
рительный подогрев корпусов до 423 К перед герметизацией.
Сварка током промышленной частоты с точки зрения снижения темпера-
турных воздействий и повышения скорости процесса имеет определенные огра-
ничения, так как величина пауз между импульсами изменяется. При сварке
током повышенной частоты 800... 1200 Гц значительные возможности открывают-
ся вследствие независимого регулирования времени импульсов и пауз между
ними. Это позволяет в широких пределах варьировать частоту следования.
1000
Ти + Тп
где ти — длительность импульса, мс; тп — длительность паузы, мс.
Кроме того, длина каждой сварной точки, получаемая при прохождении
пучка высокочастотных импульсов при этом процессе, значительно больше.
При подготовке сварочных машин к работе уделяется внимание параллель-
ности поверхностей электродов, которые должны обеспечивать равномерное сжа-
тие деталей по контуру. В обычных условиях параллельность проверяют с по-
мощью копировальной бумаги, сложенной вдвое красящим слоем вовнутрь,
которая сжимается в рабочем режиме установки между сваривающими поверх-
ностями. Такой технологический прием обеспечивает контроль параллельности
в пределах 0,05...0,10 мм.
Для герметизации микросхем применяют также рельефную контурную
сварку (РКС) как один из видов контактной сварки сопротивлением. Этот
процесс обеспечивает соединение деталей по поверхности их касания, ограни-
ченной искусственными или естественными выступами (рельефами).
Контурной называют разновидность рельефной сварки по кольцевым, квад-
ратным, прямоугольным или овальным замкнутым рельефам и обычно приме-
няют для герметизации (т. е. создания герметичных соединений) сравнительно
небольшого объема, расположенного между свариваемыми деталями.
Рельефной контактной сваркой герметизируют изделия в металлостеклянных
и металлокерамических корпусах лишь одного конструктивно-технологического
исполнения (металлостеклянные) вследствие большого усилия сжатия. Эта зна-
чительная группа массовых микроэлектронных устройств только для интеграль-
31
483
ных микросхем составляет 47...56% от выпуска изделий, герметизируемых всеми
видами пайки и сварки, причем 11...13% из них приходится на долю гермети-
зации РКС.
В соответствии с классификацией корпусов интегральных микросхем РКС
герметизируют корпуса 3-го типа, т. е. изделия, имеющие цилиндрическое ос-
нование и вертикальные штыревые выводы (3101—3108 и др.), а также зна-
чительную часть корпусов 1-го типа с прямоугольным основанием и штыревым
расположением выводов (151.14, 151.15 и др.).
Отличительной особенностью корпусов, предназначенных для герметизации
РКС, является наличие замкнутых рельефов, т. е. выступов или ограничителей
площади соприкосновения свариваемых деталей. Это позволяет повышать удель-
ное давление в контакте и увеличивать контактное сопротивление за счет
уменьшения площади контакта. Роль рельефов могут выполнять сварочные по-
яски или кольцевые отбортовки малой ширины (рис. 11.8, 11.9), которые де-
лают на основаниях (ножках) или крышках баллонов корпусов маломощных
транзисторов и диодов.
Сварочные выступы, т. е. собственно рельефы (рис. 11.9), выполняются
на корпусах мощных полупроводниковых приборов и прямоугольных корпусах
микросхем с большой протяженностью контура сварки. Рельеф может выпол-
няться на промежуточном кольце из никеля или ковара, который напаивают
на медный фланец ножки корпуса с целью повышения контактного сопротив-
ления (см. рис. 11.8, в и 11.9, а).
Сварочные рельефы с минимальным радиусом закругления вершины вы-
полняют обычно чеканкой. На тонкостенных деталях рельефы изготовляют вы-
тяжкой в виде гофры (рис. 11.8, г). Предпочтительным является выполнение
рельефа на баллоне (крышке) корпуса.
При герметизации корпусов из ковара 29НК и никеля НП2 оптимальная
толщина свариваемых кромок должна быть 0,2...0,5 мм; оптимальные соотно-
шения толщин свариваемых кромок 2 :3 или 3: 4; минимальное расстояние от
кромки электрода до металлостеклянного спая йа корпусе не менее 0,6... 1,0 мм;
деталь из сплава 29НК в месте сварки должна иметь золотое или серебряное
покрытие толщиной не менее 3 мкм; на одной из деталей, особенно если ее
периметр сварки более 80 мм, следует изготовлять замкнутый сварочный рельеф
с определенным сечением (табл. 11.6).
В некоторых конструкциях корпусов, герметизируемых РКС, крышки не име-
ют отбортовки (рис. 11.10).
Увеличения контактного сопротивления при РКС достигают путем касания
фланца ножки корпуса наклонной отбортовкой баллона (см. рис. 11.7, а) или
Рис. 11.8. Способы увеличения контактного сопротивления между ножкой и
баллоном выполнением узких сварочных поясков (а), сварочных рельефов
и гофра (г)
Рис. 11.9. Конструктивные элементы кор-
пусов мощных полупроводниковых прибо-
ров с промежуточным кольцом (а) и без
него (б):
1 — баллон; 2 — керамический изолятор; 3 — фла-
нец; 4 — промежуточное кольцо; 5 — рельеф
484
Таблица 11.6. Рекомендуемые размеры сечения сварочных рельефов
Наружный диаметр корпуса, мм Тип рельефа Диаметр рельефа, мм Размеры рельефа, мм Радиус скругле- ния, мм
высота h ширина у основания а ширина У вер- шины b
9,1 Сплошной 8,1 0,12...0,2 0,4...0,6 0,15
15 Полый 14,1 0,2...0,3 0,4...0,6 — 0,25
22,5 21,5 0,2...0,3 0,5 0,25 0,25
32 Сплошной или полый 29,5 0,25...0,3 0,7...0,8 — 0,25
52 Сплошной 50 0,3...0,35 0,6...0,7 — 0,25
его торцом (рис. 11.7,6), однако в последнем случае достичь стабильных поло-
жительных результатов не удалось.
Начальное контактное сопротивление при прочих равных условиях зависит
от усилия сжатия электродов. Зависимость изменения начального сопротивления
корпусов с различными гальваническими покрытиями от усилия сжатия элект-
родов (рис. 11.11) показывает, что:
переходное контактное сопротивление существенно уменьшается при уве-
личении давления и зависит от вида покрытия;
на стадии образования физического контакта наивысшую стабильность
переходного контактного сопротивления обеспечивает гальваническое покрытие
одной из деталей золотом; несколько худшую — гальваническое покрытие се-
ребром.
В качестве наружного слоя покрытия корпусов используют никель, золото
и серебро, а для подслоя — никель и медь. Покрытия производят чаще всего
гальваническим и химическим осаждением, иногда напылением. На качество
соединений при контактной сварке покрытых корпусов влияют:
анизотропность, толщина покрытий и число слоев;
различная твердость покрытий, приводящая к значительному изменению
фактической площади контакта;
наличие дефектов под слоями покрытий (пор, пустот, отслоений, окисных
пленок).
Рис. 11.10. Устройство для гермети-
зации металлостеклянных корпусов
без отбортовки:
1 — колпачок; 2 — основание; 3 — верхний
электрод; 4 — нижний электрод
Рис. 11.11, Зависимость начального
контактного сопротивления корпусов
с различными покрытиями от вели-
чины усилия сжатия электродов:
/?0 — сопротивление в начале сжатия;
Ri — сопротивление при заданном давле-
нии; F — усилие сжатия электродов
485
Существенными факторами, приводящими к появлению пористости сварного
шва, являются различная твердость, наличие дефектов покрытий и высокая
шероховатость свариваемых кромок.
Условием получения качественного соединения при герметизации РКС яв-
ляется поддержание определенных соотношений между усилием сжатия, ампли-
тудой и длительностью импульса сварочного тока при согласовании скорости
нарастания тока с инерционностью привода сжатия электродов.
Время сварки исходя из технологических соображений, с одной стороны,
должно быть малым, чтобы обеспечить минимальный нагрев активных элемен-
тов и металлостеклянных спаев. С другой стороны, минимальная длительность
нарастания импульса тока до максимума (или большая крутизна фронта сва-
рочного импульса) ограничена, так как при существующей инерционности при-
вода сжатия возможно образование выплеска жидкого металла.
При герметизации конденсаторной РКС отношение амплитудного значения
сварочного тока к длине сварочного шва в среднем составляет 0,7... 1 кА/мм.
Диапазон изменения усилия сжатия электродов также ограничен возмож-
ностью образования выплеска (при малом усилии) и риском получения непро-
вара (при амплитудном значении тока, превышающем требуемое), сильной де-
формацией свариваемых кромок и увеличением габаритов корпуса. Кроме того,
при увеличении усилия сжатия электродов приходится соответственно увели-
чивать сварочный ток для компенсации уменьшающихся переходных сопротив-
лений деталь — деталь и электрод — деталь. Намного большее (по сравнению
с шовной контактной сваркой) усилие сжатия при герметизации корпусов РКС
является в основном ее недостатком, препятствующим сварке многих изделий
с планарным расположением выводов.
Электроды для сварки корпусов. При рельефной сварке применяют элект-
роды с плоской рабочей поверхностью, размеры которой обычно превышают
размеры соединения. Конструктивно электроды для РКС выполняют в виде
быстросъемных втулок двух типов: комбинированных и цельных (рис. 11.12),
которые вкладываются в токопроводы сварочной установки. Основание 1 ком-
бинированного электрода изготовляют из меди Ml, М2 или М3, а рабочую
часть или наконечник (вставку) 2 — из сплава БрНБТ. Цельные электроды из-
готовляют из бронзы БрНБТ и БрКБ, прошедшей термомеханическую обработку.
На рабочих поверхностях не допускаются забоины, вмятины, заусенцы и
другие дефекты. В некоторых случаях для компенсации неплоскостности рабочих
органов сварочного оборудования и свариваемых деталей, а также для ком-
пенсации перекоса сварочного инструмента верхний электрод выполняют со
сферической головкой, которая, соприкасаясь с ответной сферой промежуточной
детали, позволяет ему самоустанавливаться. Номинальные размеры рабочих ча-
стей электродов, предназначенных для герме-
тизации корпусов РКС, определяются сопря-
гаемыми размерами свариваемых деталей.
Контроль рабочей части электрода произ-
водится визуально с помощью лупы при уве-
личении не менее 4 или по отпечатку на ко-
пировальной бумаге. Отпечаток должен быть
равномерным, четким и замкнутым по всему
контуру. Если он недостаточно четок, прове-
ряется параллельность плоскостей токоподво-
дов сварной машины с помощью рычажного
индикатора с ценой деления 0,01 мм, закреп-
ленного на индикаторной стойке. Допускаемое
отклонение от параллельности плоскостей то-
коподводов составляет не более 0,002 мм.
Основным показателем выхода из строя элек-
тродов является выработка или выкрашивание
их рабочего (внутреннего) пояска. Восстанав-
ливают электроды, шлифуя их рабочую по-
верхность до удаления выработанной области,
а затем, если необходимо, внутреннее отвер-
стие дополнительно обрабатывают. В случае
а) 6)
Рис. 11.12. Конструкции ком-
бинированных (а) и цельных
(б) электродов для герметиза-
ции корпусов и центратора
электродов:
/ — основание (медь); 2 — наконеч-
ник электродный (сплав); 3 — фик-
сатор элементов
486
прилипания свариваемых деталей к электродам необходимо бязевой салфеткой,
смоченной спиртом, протереть рабочие поверхности верхнего и нижнего элект-
родов до полного удаления нагара и затем сухой салфеткой протереть их до
полного удаления спирта.
Стойкость электродов до переточки (перешлифовки) колеблется в широких
пределах в зависимости от материала свариваемых деталей, материала рабочей
части электродов и размеров свариваемых кромок. В случае применения элект-
родов из сплава БрНБТ рекомендуется перешлифовка рабочих частей после
выполнения 100... 150 сварок.
При применении в электродах для РКС рабочих вставок из элконайта
их восстановление рекомендуется проводить после 1800...2500 сварок. Во мно-
гих случаях стойкость электродов для РКС может быть не меньшей, чем для
точечной, если обеспечить достаточное охлаждение конструкции.
При выполнении рельефной сварки часто используются вставки электродов
из композитных материалов (псевдосплавов), изготовляемые методами порош-
ковой металлургии. Наибольшее распространение из материалов этого типа
получили вольфрамомедные композиции, кириты или элконайты. В СССР ис-
пользуют также материал ВМ-25, который содержит 79...80°/о вольфрама и медь
(остальное), имеет электропроводность, равную 25% от электропроводности
меди, твердость 180...200 НВ, температуру разупрочнения 1273 К.
11.4. Герметизация сваркой давлением
Сварка давлением осуществляется за счет совместной пластической дефор-
мации периферийных фланцев основания и крышки (рис. 11.13, а). Сближение
свариваемых поверхностей на расстояние действия межатомных сил обеспечи-
вает металлическую связь между поверхностными атомами.
При холодной сварке отсутствует нагрев и связанные с ним газовыделение
и выплеск металла внутрь корпуса; с ее помощью можно соединять металлы
с высокой теплопроводностью, необходимые для микросхем повышенной мощ-
ности. Процесс холодной сварки легко автоматизировать.
В зависимости от свойств свариваемых материалов применяют одно- или
двустороннюю сварку. Двусторонняя сварка выполняется пуансонами с одина-
ковой геометрией рабочей части — торцевым выступом трапецеидального про-
филя шириной 0,8... 1,2 от толщины свариваемого фланца (рис. 11.13,6).
Ее используют для соединения материалов примерно одинаковой пластичности.
Чтобы исключить подрезку фланцев, необходимо точно совместить верхний и
нижний пуансоны.
Одностороннюю сварку применяют для материалов с различной пластично-
стью. Во избежание подрезки более пластичного фланца пуансон, воздействую-
щий на этот фланец, должен иметь плоскую и
широкую торцевую поверхность (рис. 11.13,6).
Основным фактором, определяющим каче-
ство холодносварного шва, является величина
относительной деформации
е= ~~ -100= -100%,
О о
где б — суммарная толщина свариваемых кро-
мок деталей; t — толщина сварного шва; h —
суммарная глубина вдавливания пуансонов
(при сварке внахлестку).
Задавшись величиной деформации, можно
вычислить толщину холодносварного шва
/=6(1—е/100).
Минимальная деформация, необходимая
для холодной сварки однородных и разнород-
Рис. 11.13. Схема холодной
односторонней сварки (а) и
форма рабочей части пуансо-
на (6):
1 — верхний пуансон; 2 — крышка
корпуса; 3 — основание корпуса;
4 — нижний пуансон
487
100 \
100-е / ’
ных металлов, существенно отличающихся из-за различий в подготовке свари-
ваемых поверхностей и исходном состоянии материала.
В промышленных условиях считается, что сварка осуществлена правильно,
если относительная деформация находится в интервале 78...85%. Однако с точ-
ки зрения достижения не максимальной прочности, а необходимой герметично-
сти для пары медь — ковар при герметизации маломощных транзисторов ока-
залась деформация при односторонней сварке на 67%, а при двусторонней —
на 72%.
При сварке одноименных металлов ориентировочное удельное давление
можно приближенно определять по формуле, заимствованной из теории объем-
ной штамповки, исходя из условия, что ширина рабочей части пуансонов вдвое
превышает необходимую толщину свариваемого металла:
Р=От ^1,5-Ь
где ат—предел текучести металла, МН/м2; 8 — относительная деформация, %.
Ориентировочно можно считать, что давление обычно в 5...8 раз превышает
предел прочности свариваемых металлов при растяжении.
Необходимым условием обеспечения качества сварного шва является отсут-
ствие загрязнений на соединяемых поверхностях. Для исключения образования
окисла целесообразно осуществлять защиту поверхности слоем никеля или хро-
ма толщиной 3...9 мкм. При сжатии соединяемых поверхностей твердая пленка
покрытия разрушается и в результате деформации выдавливается из зоны
сварки.
Эффективным способом подготовки деталей к холодной сварке является
нанесение пленок никеля химическим или гальваническим методом. При хими-
ческом никелировании прочность сварного шва увеличивается и наиболее проч-
ное сцепление получается при толщине пленки 20 мкм. Однако при этом ста-
новятся ломкими проволочные выводы, никелируемые одновременно с фланцем
корпуса. Поэтому толщину покрытия для малогабаритных приборов с тонкими
выводами уменьшают до 3...6 мкм. Химическое никелирование не позволяет
получать вакуум-плотные соединения стабильного качества, хотя и обеспечивает
необходимую механическую прочность их. Отжиг медных баллонов в водороде
при 673 К в течение 45 мин увеличивает микротвердость и, улучшив сцепле-
ние с основой никелевого покрытия, обеспечивает стабилизацию герметичности
соединений.
Матовое гальваническое никелирование медных крышек обеспечивает тре-
буемое качество герметизации без отжига. Оптимальной технологией подготовки
медного баллона под холодную сварку является матовое гальваническое нике-
лирование, обезжиривание кипящим четыреххлористым углеродом с последую-
щей сушкой в термостатах при 393...423 К в течение 1 ч. Оптимальным явля-
ется отношение толщин покрытия и основного металла, равное 0,01...0,02.
Для обеспечения стабильности герметичности соединений необходимо по-
крытие оснований корпусов. Оно выполняется химическим никелированием,
подвергается нескольким технологическим травлениям во время сборочных опе-
раций (уменьшаясь в толщине), промывкам в деионизованной воде и сушкам
в термостатах и терморадиационных печах.
Для холодной сварки часто коваровое основание покрывают более тонким
слоем никеля (4...6 мкм) и затем слоем золота толщиной 8... 10 мкм. Основание
корпуса подвергают термоотжигу в вакууме 0,013 Па, который совмещен с
процессом пайки кристалла кремния на основание при температуре 883...943 К
в течение 15...25 мин. Во время термоотжига никель проникает в слой золота,
придавая ему хрупкость.
Холодной сварке способствуют вакуум и воздействие вибраций. Поверх-
ность свариваемых деталей перед холодной сваркой очищают путем удаления
твердых поверхностных и жировых загрязнений, из которых наиболее опасны
пленки поверхностно-активных веществ. При исследовании схватывания меди и
алюминия в глубоком вакууме в области давлений от 1,3-10”3 до 1,3-10-7 Па
требуемая для схватывания меди деформация последовательно снижалась от 38
до 7%. Очищенная в вакууме 1,3-10~7 Па поверхность алюминия загрязняется
488
Рис. 11.14. Разгрузочные (компенсационные) элементы холодносварных кор-
пусов до и после соединения:
а — тонкие вертикальные стенки; б — гофрированная крышка; в — тонкая легкодеформи-
руемая крышка; г — разгрузочная канавка в основании; / — крышка; 2 — основание
адсорбированными газами пропорционально произведению давления в камере
на время выдержки, т. е. количеству поступающего к поверхности газа. Влияние
пленки адсорбированных газов на свариваемость существеннее, чем влияние
предварительного увеличения энергии поверхностных слоев (путем закалки,
наклепа, легирования и т. п.).
Вибрационное сварочное усилие позволяет снизить необходимое давление
на пуансон или при сохранении максимальной прочности сварных соединений
снизить необходимую деформацию.
Качество холодносварного шва зависит от правильного выбора геометрии
рабочих частей инструмента и конструкции элементов корпуса, прилегающих
к свариваемым кромкам. Эти элементы должны поглощать выдавленный из
сварной зоны объем металла и ограничивать развитие пластической деформации
в той зоне корпуса, где располагается полупроводниковый кристалл или под-
ложка. Компенсаторами служат тонкие, способные легко деформироваться, вер-
тикальные стенки крышки или основания и специальная выемка, так называе-
мая разгрузочная канавка во фланце основания. Реже применяют для этой
цели гофрированные крышки (рис. 11.14).
Герметизацию корпусов холодной сваркой осуществляют соединением по
замкнутому контуру (периметру) внахлестку силами, нормально перпендику-
лярными к свариваемой поверхности с одно- или двусторонним деформирова-
нием. Менее распространено соединение при одновременном действии нормаль-
ных и тангенциальных усилий, так называемая сварка сдвигом или продавли-
ванием. Сварка с двусторонним деформированием рекомендуется в основном
для соединения однородных материалов. Смещение выступов при сварке разно-
родных металлов вызывает подрезание (утоньшение) более мягкого.
Для исключения возможности образования подрезов более мягкого металла
крышки в месте перехода от горизонтальной кромки к вертикальной стенке при
значительном смещении выступов инструмента (рис. 11.15) свариваемую кромку
крышки изготовляют более толстой и широкой, чем кромка основания корпуса,
с непременным перекрытием всей кромки основания выступом верхнего пуан-
сона. При герметизации некруглых корпусов односторонней холодной сваркой
с перекрытием верхним пуансоном всей свариваемой отбортовки (рис. 11.16)
уменьшена жесткость и сопротивляемость деформированию в углах за счет
уменьшения толщины свариваемой кромки основания и применения деформации
Наряду со сваркой с деформированием в свободном объеме используют
сварку с деформированием в замкнутом объеме: одностороннюю сварку с ча-
стичным объемным сжатием, при которой пластическая деформация более мяг-
кого металла ограничивается размерами выемки в инструменте. Для снижения
требуемого удельного давления и уменьшения необходимой степени деформации
свариваемую кромку более мягкой детали выполняют по высоте, равной выемке
469
Рис. 11.15. Схема образования под-
резов при значительном смещении
выступов инструмента
Рис. 11.16. Схема односторонней хо-
лодной сварки с перекрытием верх-
ним пуансоном всей свариваемой
отбортовки:
1 — основание; 2 — крышка; 3 — пуансон
инструмента; 4 — матрица инструмента
Рис. 11.17. Схема односторонней хо-
лодной сварки с деформированием
в замкнутом объеме:
1 — кромка детали из мягкого металла;
5 — матрица инструмента; <3 — выемка в
матрице; 4 — кромка детали более твер-
дого металла; 5 — пуансон инструмента
Рис. 11.18. Типичная конструкция и
размеры элементов корпусов для
герметизации сваркой плавлением
матрицы, и перекрывают кромкой детали из менее пластичного металла, которую
односторонне деформируют выступом пуансона (рис. 11.17).
К недостаткам метода следует отнести значительные пластические дефор-
мации, требующие увеличения толщины фланцев (0,3...0,8 мм в зависимости от
размеров корпуса), что увеличивает массу корпуса. Кроме того, необходимы
специальные конструктивные меры для предотвращения распространения де-
формаций в зону расположения изоляторов для выводов и в область крепления
кристаллов (увеличение ширины фланцев, проектирование разгрузочных кана-
вок и бортиков по контуру основания корпуса и т. п.).
11.5. Герметизация сваркой плавлением
Методы сварки плавлением (аргонодуговой, микроплазменный, электронно-
лучевой и лазерный) используют для герметизации корпусов, периметр сварки
которых превышает 50 мм, а суммарная толщина кромок отбортовки в боль-
шинстве случаев составляет 0,4... 1 мм. Для отечественных корпусов наиболее
характерна отбортовка свариваемых кромок параллельно плоскости оснований,
хотя для сварки лучевыми способами может также использоваться отбортовка,
перпендикулярная плоскости основания корпусов (рис. 11.18).
При разработке технологии герметизации корпусов сваркой плавлением
следует учитывать:
глубину проплавления, обеспечивающую заданную герметичность корпуса,
которая по существу определяет требуемую мощность сварочного источника при
490
Рис. 11.19. Схема взаимного
расположения корпуса и элек-
трода при аргонодуговой свар-
ке (а) и характерные размеры
соединяемых деталей (б):
1 — теплоотвод крышки; 2 — кор-
пус микросхемы; 3 — теплоотвод
основания; 4 — корпус кассеты;
5 — электрод; 6 — сопло
заданной скорости сварки (обычно 200...400 Вт в непрерывном режиме и
40...60 Вт в импульсном);
мощность сварки, материалы и конфигурацию деталей, а также скорость
сварки, влияющие на распределение температурного поля и максимальные тем-
пературы в корпусе. Эта температура прямо пропорциональна мощности свароч-
ного источника и при непрерывных режимах сварки может достигать до 573 К,
при импульсных режимах 443...453 К. Возможно снижение температуры посред-
ством применения теплоотводящих оправок и уменьшения диаметра луча;
выбор мощности и скорости перемещения корпуса (а в импульсном режи-
ме длительности импульсов и частоты их следования), определяющий скорости
нагрева и охлаждения металла при сварке. При высоких скоростях охлаждения
(«жесткие режимы») в швах может появляться пористость, приводящая к не-
герметичности. Пористость связана с выделением из сварочной ванны газов
(в основном водорода) в процессе кристаллизации, когда растворимость их
в металле скачкообразно уменьшается. При малом времени обезгаживания шва
в случае высоких скоростей сварки наблюдается «кипение» сварочной ванны.
Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Сварка малоамперной
дугой применяется при герметизации прямоугольных металлостеклянных корпу-
сов со штырьковыми выводами. Сварку осуществляют в камере, заполненной
инертным газом. Дугу дополнительно стабилизируют струей защитного раза
(рис. 11.19). Для исключения обрывов дуги при переходе в процессе сварки
с одного корпуса на другой в ряде случаев используют дополнительную (де-
журную) дугу, а иногда и две-три дуги. Мощность их не превышает 10... 15% от
мощности дуги во время импульса тока. При сварке материалов толщиной
0,3... 1 мм проплавляющая способность импульсной дуги в 1,5...2 раза больше
по сравнению с постоянно горящей дугой, а остаточные деформации снижаются
почти вдвое.
Для неплавящегося электрода используют прутки вольфрама ВТ-10 или
ВТ-15, содержащие 1,5...2% тория. Угол заточки электрода, определяющий ра-
бочие размеры катода и катодное падение напряжения, в значительной степени
влияет на вольт-амперные характеристики дуги.
Для предупреждения блуждания сварочной дуги по поверхности сваривае-
мого металла при аргонодуговой сварке используются весьма малые диаметры
электродов (до 0,4 мм) и очень короткая (до 0,6 мм) дуга. При этом для
получения стабильной глубины проплавления металла допустимое отклонение
дуги не должно превышать ±0,1 мм. В диапазоне малых токов круто падающая
ветвь кривой вольт-амперной характеристики дуги перекрывается аналогичной
кривой источника питания, в результате чего возможны только скользящие
точки пересечения обеих характеристик, соответствующие нестабильным дугам.
В качестве неплавящихся электродов применяют прутки вольфрама малого
диаметра (с присадкой 1,5...2 мае. доли тория), конец которых заточен на
конус с углом при вершине 15...30°. Электрод устанавливают под углом к тор-
цам свариваемых кромок на расстоянии 0,3...0,6 мм, которое выдерживается
предварительной настройкой с помощью щупа. Обеспечить такие геометрические
параметры необходимо, чтобы исключить блуждание сварочной дуги по поверх-
ности герметизируемого корпуса. Этому же, а также эффективному теплоотводу
способствует и увеличение ширины фланцев. Кромки фланцев должны высту-
пать из-под теплоотводов на расстояние, превышающее толщину фланца осно-
вания или крышки на 0,1 мм.
При герметизации аргонодуговой сваркой детали корпусов устанавливают
в кассеты с медными теплоотводами (рис. 11.20). Кассеты закрепляются в по-
491
Рис. 11.20, Сборка корпуса в теплоотводах кас-
сеты:
1 — электрод; 2 — теплоотвод планарного вывода; 3—
теплоотвод основания; 4—корпус прибора; 5 — тепло-
отвод крышки
Рис. 11.21. Схема микроплазменной сварки:
/ — электрод; 2 — плазмообразующий газ; 3 — корпус плазмотрона; 4 — защитный газ;
5 — теплоотвод; 6 — свариваемые кромки фланцев корпуса микросхемы
воротных центрах и выставляются относительно электрода на расстоянии дли-
ны дуги. Горелка с электродом передвигается возвратно-поступательно вдоль
кассеты с собранными деталями. После сварки одной из сторон микросхем
кассету поворачивают на 180° и сваривают противоположные стороны. Для
герметизации двух оставшихся сторон микросхемы должны быть перегружены
в другие кассеты и сварены аналогичным образом.
Для качественной герметизации необходимо:
при использовании сплавов 29НК-Т в качестве материала основания кор-
пус крышки изготовлять из ковара или нержавеющей стали 1Х18Н9Т;
толщину кромок под сварку выдерживать 0,1...0,6 мм. Разница в толщине
кромок крышек и оснований должна быть в пределах допуска на толщину про-
ката. Радиус закругления углов корпуса не должен превышать 1,5 мм. Откло-
нение формы от плоскости не должно быть более 0,05 мм (для оснований) и
0,1 мм (для крышек);
ширину отбортовок основания и крышки не допускается иметь менее 1 мм,
а смещение кромок при сборке в кассетах — более 0,1 мм;
наличие покрытий (никель, золото) на элементах корпуса перед герметиза-
цией крайне нежелательно;
для повышения коррозионной стойкости крышек и оснований до сварки
рекомендуется применять химическое полирование.
Микроплазменная сварка. Является разновидностью малоамперной дуговой
сварки, использующей сжатую дугу с низкотемпературной плазмой для сварки
металлов малых толщин. В этом виде сварки локализация и стабилизация раз-
ряда достигаются сжатием его с помощью насадки с малым (менее 1 мм) диа-
метром выходного отверстия — сопла (рис. 11.21). Поскольку возбуждение ду-
гового разряда непосредственно на изделие через узкое сопло невозможно, то
вначале возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом,
включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом
низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает основную дугу между
электродом и изделием. Если полярность потенциалов изделия и сопла по от-
ношению к электроду одинакова, то вспомогательный разряд шунтируется и
гаснет.
Относительно малые токи в дуговом разряде (до 40 А) при малом сечении
плазменного столба имеют высокую плотность, а цилиндрическая форма столба
позволяет удлинять дугу практически без изменения параметров сварного шва.
Этот процесс свободен от основных недостатков малоамперной агронодуговой
сварки: сравнительно большого активного пятна и нестабильности при малых
токах. Стабилизация струей плазмообразующего газа позволяет за счет умень-
шения канала сопла плазмотрона существенно увеличить длину дуги и кон-
центрацию энергии в источнике теплоты.
492
При сближении плазменной горелки со свариваемым изделием плазма «де-
журной» дуги образует электропроводный столб между вольфрамовым электро-
дом (катодом) и изделием (анодом), в результате чего возбуждается основная
(зависимая) дуга. При этом дежурная дуга не отключается, ее возбуждение
осуществляется высокочастотным разрядом осциллятора.
Для оценки проплавляющей способности микроплазменной дуги необходимо
знать распределение теплового потока по пятну нагрева. Для этого определяют
диаметр пятна нагрева в различных сечениях дуги. Установлено, что колеба-
ния длины дуги в пределах 1,5...3 мм практически не влияют на проплавляю-
щую способность микроплазменной дуги, что говорит о постоянстве диаметра
столба.
Установка микроплазменной сварки МПУ-4 предназначена для сварки в
непрерывном и импульсном режимах постоянного тока с прямой и обратной
полярностями. Длительность импульсов тока и пауз 0,03...0,5 с, ток прямой
полярности 3.. 30 А, ток обратной полярности (1,5... 15 А, ток вспомогательной
дуги 3...6 А. Расход плазмообразующего и защитного газов равен соответственно
0,2...0,8 и 2...8 л/мин. Плазмообразующим газом обычно служит аргон, а за-
щитным — аргон, гелий-аргоновые или аргановодородные смеси.
Электронно-лучевая сварка. Осуществляется за счет превращения кинети-
ческой энергии ускоренных электронов в тепловую при торможении в свари-
ваемых металлах. Электронный пучок образуется за счет эмиссии электронов
с нагретого катода в вакууме, формируется и фокусируется на свариваемых
кромках с помощью электростатических и электромагнитных линз.
В зависимости от значения ускоряющего напряжения электроны проникают
в материал на некоторую глубину
где U — ускоряющее напряжение, В; р — плотность материала, г/см3.
Тепловой источник при электронно-лучевом воздействии распределен в про-
странстве сложным образом: нормально по поверхности и глубине пробега
электронов с максимумом на некоторой глубине.
При малых ускоряющих напряжениях (до 20 кВ) глубина проникновения
электронов б составляет около 1 мкм, поэтому можно считать источник поверх-
ностным и распределенным по гауссову закону. Эффективный КПД т]и элект-
ронно-лучевого нагрева составляет
Т|и= 1— Кгь
где Г1 — коэффициент отражения электронов; К — коэффициент пропорцио-
нальности, характеризующий распределение отраженных электронов по их энер-
гиям. Обычно К=0,45...0,50.
Величина г определяется по эмпирическому соотношению
т
fl CjZ1/3*
где т— масса атома, г; С\ — константа, имеющая значение для легких (z—
— &..А7) элементов 10,7-10-23 г, для тяжелых (z = 74...92) элементов 15,5-10-23 г.
Диаметр фокального пятна электронного луча в электронно-лучевых уста-
новках зависит от тока луча и расстояния от центра фокусирующей системы до
свариваемой поверхности
(b + c2I)L—al,
где d — диаметр луча, мм; L — расстояние от оси фокусирующей системы до
поверхности сварки, мм; / — ток луча, мА; а=8,9-10“4 мм/мА; Z? = 0,85-10~3;
с2=3,04-10~5 л/мА.
Значения термического КПД г)т, указанные на рис. 11.22, при электронно-
лучевой сварке могут быть рекомендованы для случая малых толщин.
При герметизации прямоугольных корпусов их вращают вокруг оси, перпен-
дикулярной оси электронного луча (рис. 11.23). Все точки периметра корпуса
последовательно проходят под лучом на различном расстоянии (выше или ниже)
493
Рис. 11.22. Зависимости термического КПД т]т от тока электронного луча (а)
и ускоряющего напряжения (б):
1 — непрерывный режим сварки; 2 — импульсный режим
Рис. 11.23. Схема лучевой сварки прямоуголь-
ного вращающегося корпуса без изменения фо-
кусного расстояния:
2а — угол сходимости луча; h — максимальное откло-
нение от фокальной плоскости
qt оптимального положения фокуса луча. Максимально допустимое отклонение
от фокальной плоскости h можно определить из соотношения
^rctgaj^/^**)1/2-!], (Hl)
где г — радиус электронного луча в фокальной плоскости, см; qs — удельная
мощность луча, Вт/см2; gs** — критическая удельная мощность, при которой
еще происходит расплавление свариваемых кромок, Вт/см2; ai — половина угла
сходимости электронного луча.
Значение критической мощности qs** (для непрерывного режима)
qs** — р(с7’пл + Ьпл)|/ , (11.2)
где а — температуропроводность свариваемого металла, см2/с; VcB — скорость
сварки, см/с; 6 — толщина свариваемых кромок, см; с — теплоемкость метал-
ла, Дж/(г-К); Гпл, 1>пл—соответственно температура и теплота плавле-
ния, К 'И Дж/г.
Для импульсного режима формула (11.2) имеет вид
qs** = р (сТ я л + La л )У//Г ц/ти,
где Ти — длительность сварочного импульса, с.
Равномерное распределение энергий по оси луча при вращении герметизи-
руемого корпуса можно получить за счет высокочастотного (более 103 Гц)
сканирования фокуса луча относительно точки О (см. рис. 11.23). В этом слу-
чае луч с углом сходимости 2at опускается относительно точки О на глуфцну 4
(амплитуда сканирования) за счет изменения угла 2аь который на глубине h
494
составляет 2аг. Связь амплитуды сканирования с параметрами луча следующая:
-1 Vt2- [(‘h/?»**)1'2-1], (П-3)
tga2 / tga2
где L — фокусное расстояние, см.
При равенстве углов ai = a2 (фокальное пятно не сканируется, луч уста-
новлен в точке О) выражение (11.3) переходит в (11.1).
Шовная импульсная сварка энергией лазерного излучения. Сплошной шов
формируется путем наложения сварных точек друг на друга с некоторым пе-
рекрытием, характеризуемым коэффициентом перекрытия P—l/d^ где I — длина
перекрытия сварных точек на поверхности детали; d — диаметр лазерного луча.
Основные геометрические характеристики сварного шва представлены на
рис. 11.24. Так как форма сварной ванны при лазерной сварке обычно близка
к сферической или конической, то глубина шва зависит от коэффициента пе-
рекрытия и всегда меньше глубины проплавления материала в единичной свар-
ной ванне. Выбор коэффициента перекрытия определяется необходимой мини-
мальной глубиной проплавления, от которой зависят прочность и герметичность
шва.
Для обеспечения наибольшей глубины шва коэффициент перекрытия должен
быть близок к единице. Скорость сварки при этом мала: V—fd(l — Р), где f —
частота следования импульсов; кроме того, необходимо учитывать возможные
структурные изменения в металле сварной ванны в результате многократного
от 1 до 1/(1— Р) воздействия излучения на один и тот же участок детали.
При сварке вакуум-плотных соединений в МЭУ типичными являются тре-
бования глубины шва 0,1...0,3 мм; это позволяет во многих случаях ограничить-
ся коэффициентом перекрытия 0,4...0,6 и увеличить скорость сварки.
Оптимальная конструкция сварного соединения должна быть такой, чтобы
требовалось минимальное тепловложение при сварке и обеспечивалась высокая
степень герметичности соединения крышки с корпусом. На рис. 11.25 показаны
некоторые конструкции сварных соединений и направление излучения. В каждом
варианте может быть получено качественное соединение. Вариант, показанный
на рис. 11.25, а, требует минимального тепловложения, поскольку энергия из-
лучения подводится непосредственно к зоне соединения и необходимо лишь
частичное проплавление. Однако имеется вероятность разбрызгивания металла
и попадания его внутрь корпуса, что нежелательно. На рис. 11.25,6 представлен
вариант вертикального направления излучения при соединении внахлест. Умень-
Рис. 11.24. Основные геометрические характеристики сварного шва, выполнен-
ного импульсным лазером:
d — диаметр сварной точки; / — длина перекрытия; h — глубина проплавления; Н — глу-
бина шва
495
W777/77777//^
a)
ZZJ;
7//7/77/7777^
6)
Рис. 11.25. Способы соединения корпусов с крышками для герметизации шов-
ной лазерной сваркой (стрелками показано направление излучения):
а, в — встык; б — внахлест
шенная толщина крышки (ступенька) в зоне сварки приводит к снижению тре-
буемого тепловложения. Конструкция на рис. 11.25, в облегчает сборку и фик-
сацию деталей и позволяет использовать при сварке такое же тепловложение,
как и в случае, показанном на рис. 11.25, а. Одновременно снижается вероят-
ность попадания жидкого металла внутрь корпуса.
При сварке корпусов, имеющих радиусы закругления, поверхность стыка
смещается относительно положения фокальной плоскости рабочего объектива
установки, что может привести к недостаточному проплавлению кромок и, сле-
довательно, к возможной потере герметичности шва.
При сварке углов корпуса, не имеющих закруглений (острых углов), возни-
кают интенсивные выплески металла вследствие резкого уменьшения теплоот-
вода в корпус. Минимальная величина, при которой не происходило выплесков,
составляет 0,5 мм.
На установках «Квант-10, 12, 17», обеспечивающих подачу в зону сварки
импульсов излучения энергией от 1,5 до 10 Дж с частотой следования от 1 до
20 Гц, не представляет труда герметизация малогабаритных корпусов, изготов-
ленных из стали 36КНМ, 36НХТЮ, сплавов 29НК, 50Н.
Основные характеристики серийного отечественного сварочного оборудова-
ния на базе твердотельных лазеров приведены в табл. 11.7. Увеличения энер-
гии излучения в импульсе можно достичь увеличением числа активных элементов
лазера путем размещения нескольких активных элементов в одном осветителе
(«Квант-18») или установкой нескольких осветителей в одном резонаторе
(«Квант-15», «Квант-17»).
Наиболее мощное излучение получают с помощью лазеров с активным эле-
ментом на основе стекла, легированного неодимом. Однако лазеры на стекле
имеют очень ограниченный диапазон рабочих частот следования импульсов (до
1 Гц), что связано с большими тепловыми деформациями стекла, которые при-
водят к разрушению стержня. Напротив, активные элементы из АИГ могут ра-
Таблица 11.7. Некоторые характеристики отечественных
Тип установки Энергия излучения, Е, Дж Длительность импульса ти, мс Частота следова- ния импульсов Л Гн
СЛС-10-1 До 10 2; 4 До 0,5
Квант-10 10...30 4 До 1
Квант-12 До 3 1,5; 2; 2,5, 4 До 20
Квант-15 10...15 1,5; 2; 2,5; 4 0,1...20
Квант-16 30 4...7 0,1...!
Квант-17* 4 в одном луче 1,5; 2; 2,5; 4 О,1...1О
Квант-18 До 150 8 0,1...1
* Двухлучевой полуавтомат.
496
ботать при частоте до 20 импульсов в секунду, поэтому находят свое приме-
нение при шовной сварке деталей с протяженными стыками.
Основными способами повышения производительности лазерных сварочных
установок являются:
использование оптики, позволяющей свободно манипулировать пучком из-
лучения при сварке деталей различных конфигураций (отклоняющей оптики или
гибких световодов) в сочетании с автоматизацией управления;
разделение пучка излучения на несколько пучков и одновременная обработ-
ка нескольких деталей;
использование в одной установке нескольких лазерных излучателей.
Для повышения качества сварки используется ряд приемов: формирование
импульсов излучения особой формы; изменение параметров излучения в течение
сварочного импульса; обработка изделия несколькими пучками излучения одно-
временно или последовательно от одного или нескольких лазеров; обработка
световым пятном особой конфигурации и др.
Использовано излучение увеличенной мощности в течение относительно ко-
роткого времени в начале каждого импульса, что позволило, не увеличивая
мощности установки, быстро проплавить поверхностный слой металла и облег-
чить дальнейшее проплавление детали на большую глубину.
Возможна подача на лампу накачки двух импульсов тока от двух нако-
пителей. Первый импульс с меньшей энергией обеспечивает более острую фо-
кусировку излучения, большую плотность мощности и лучшее поглощение энер-
гии материалом. Второй импульс следует непосредственно за первым и несет
в себе основную, но менее остро сфокусированную часть энергии излучения»
обеспечивающую необходимое проплавление материала детали.
Необходимого изменения плотности мощности при сварке добиваются, из-
меняя положение фокальной плоскости рабочего объектива установки в течение
времени действия импульса излучения. В первой стадии цикла сварки излучение
расфокусируется смещением фокальной плоскости вверх по отношению к опти-
мальному положению; при этом металл детали плавится на небольшую глуби-
ну. Затем перемещением фокусирующей системы фокальную плоскость опуска-
ют в положение, соответствующее максимальному проплавлению. Плотность
мощности излучения резко увеличивается, и стык проплавляется на заданную
глубину. В последней стадии цикла сварки фокальную плоскость объектива
возвращают в исходное положение. Такой способ позволяет уменьшить выплеск
металла, улучшить внешний вид соединения и повысить его прочность.
Для повышения качества соединения и улучшения его внешнего вида при
сварке изделий по всему стыку осуществляют обработку излучением большой
мощности с глубоким проплавлением, а затем «заглаживание» поверхности
шва и излучением малой мощности или при нахлесточном соединении выпол-
нение в верхней детали углублений конической формы короткими импульсами
излучения высокой мощности, после чего по этим углублениям проводят сварку
установок лазерной сварки на твердотельных лазерах
Диаметр светово- го пятна ^0, мм Активный элемент Число активных элементов Число ламп накачки Число осве- тителей
0,4...1,5 Стекло с Nd 1 1 1
0,4...1,4 Стекло с Nd 1 1 1
0,25... 1 ЛИГ с Nd 1 1 1
0,25...3 АИГ с Nd 2 2 2
0,7... 1,4 Стекло с Nd 1 1 1
До 0,7 АИГ с Nd 2 2 2
— Стекло с Nd 2 2 1
32 Заказ Кг 1270
497
излучением малой мощности, в результате чего образуется зона проплавления
конической формы.
•Эффективен способ лазерной сварки последовательно двумя лазерными лу-
чами, которые получают путем расщепления основного луча с помощью полу-
прозрачного зеркала. При этом первый луч вызывает частичное окисление сва-
риваемых материалов, а второй осуществляет сварку.
Для повышения эффективности лазерной сварки сварочная установка может
снабжаться устройством, состоящим из системы полупрозрачных и полностью
отражающих зеркал, с помощью которого сварка стыкового соединения произ-
водится одновременно с двух сторон.
Увеличения прочности сварного соединения можно добиться «стиранием»
резких границ между зоной проплавления и основным металлом детали. Для
этого используют промежуточный оптический элемент, изменяющий распределе-
ние мощности излучения по сечению пучка таким образом, что уменьшение
мощности на границе происходит постепенно, а не скачкообразно. Элемент пред-
ставляет собой непрозрачную для применяемого излучения пластинку с отвер-
стием в виде «солнышка» со множеством лучей либо прозрачную пластинку,
имеющую ряд концентрических зон с различным коэффициентом поглощения
данного излучения.
Для сварки тонкой металлической фольги тугоплавких металлов необходимо
использовать излучение достаточно высокой плотности мощности, сфокусирован-
ное в световом пятне малого размера (0,1...0,2 мкм). Серийное сварочное обо-
рудование (СЛС-10-1, «Квант-10», «Квант-16») не обеспечивает получения све-
товых пятен требуемых параметров. Применение в этих установках телескопов
повышенной кратности приводит к улучшению выходных характеристик уста-
новок за счет ограничения выходящего из резонатора излучения входной линзой
телескопической системы. Использование короткофокусных объективов зачастую
неоправдано из-за уменьшения поля зрения и рабочей зоны установки. Пере-
численные недостатки легко устраняются путем оснащения оборудования внут-
рирезонаторными диафрагмами. Применение таких диафрагм позволяет полу-
чить световое пятно излучения диаметром 0,1...0,2 мм без существенного сни-
жения энергетических характеристик излучения.
Внешний вид сварного соединения и свойства металла сварной ванны за-
висят от состава и состояния газовой атмосферы, в которой проводится лазер-
ная сварка. Эти свойства определяют химическое взаимодействие металла де-
талей с газами и способность газа ионизироваться и образовывать плазму, а
также протекание теплового обмена нагретой поверхности с окружающей
средой. Выбор оптимального состава газовой атмосферы осуществляют с точки
зрения образования химических соединений в поверхностном слое металла свар-
ной ванны или растворения газов в объеме ванны с соответствующими изме-
нениями свойств металла.
Вероятность образования плазменного облака над поверхностью сварного
соединения зависит от способности газов окружающей среды ионизироваться,
т. е. от их потенциала ионизации. Так, разбавление аргона на 50% гелием при
подаче в зону сварки позволяет значительно снизить поглощение энергии излу-
чения в плазменном облаке. От интенсивности образования плазменного облака
зависит давление отдачи его на поверхность расплава, а значит, и форма по-
верхности сварной зоны после кристаллизации металла.
Газовая среда влияет на формирование поверхности сварной ванны для
никеля и молибдена, в меньшей степени для ковара и практически не влияет
для латуни, титана и коррозионно-стойкой стали.
При сварке деталей излучением лазера с одновременным обдувом потоком
защитного газа значительно уменьшается температура нагрева изделия, что
связано с изменением поверхностной теплоотдачи детали в окружающую среду.
Эффективность отвода теплоты с поверхности свариваемых деталей возрастает
с увеличением расхода газа и скорости его истечения. При максимальных ско-
ростях истечения газа среднее значение коэффициента поверхностной теплоотда-
чи превышает его значение при сварке на спокойном воздухе более чем
в 6 раз.
Для защиты деталей при лазерной сварке, например, от окисления имеют
значение организация потока защитного газа на выходе из сопла, конфигурация
498
сопла, расстояние от сопла до места сварки. Наилучшие характеристики имеют
сопла смешанной формы, выполненные в виде сочетания конуса с цилиндром
или имеющие образующую в виде кривой Витошинского.
К конструкции сопла предъявляются следующие требования: надежная
защита сварки, отсутствие сканирования частями сопла излучения; сопло не
должно ухудшать условий освещения места сварки лампами подсветки, для
этого нижняя часть сопла может изготовляться из цилиндрической стеклянной
трубки, которая позволяет организовать подвод защитного газа непосредственно
к месту сварки, не ухудшая условий его освещенности.
Из экспериментов следует, что наилучшие условия защиты места нагрева
при различных расходах защитного газа создаются использованием сопла с
внутренним диаметром 10 мм. При выборе основных размеров верхней метал-
лической части сопла необходимо учитывать угол сходимости пучка в процессе
его фокусировки и угол, под которым устанавливаются лампы подсветки.
Для улавливания паров металла над поверхностью обрабатываемой детали
можно использовать лазерную сварочную головку со специальным кольцевым
коллектором. Коллектор изготавливают из материала постоянного магнита, что
снижает количество ионизированного металлического пара, повышает эффек-
тивность действия излучения и уменьшает расход защитного газа. Коллектор
располагают так, что излучение проходит через центральное отверстие кол-
лектора.
Для уменьшения интенсивности плазменного факела над поверхностью де-
тали в рабочей зоне организуется замкнутый герметичный объем, в котором
создается либо специальная атмосфера, либо вакуум. Этот объем ограничен
поверхностью детали, фокусирующей линзой объектива, внутренним и наруж-
ным соплами. Между наружным соплом и деталью существует зазор, через
который в объем попадает воздух. Если зазор герметизируется, то в объеме
может создаваться разрежение. В этом случае объем заполняется защитным
газом. Для создания потоков воздуха оптимальных направлений в сопле де-
лаются отверстия.
Лазерная сварка стекла. Поглощение стеклом излучения с длиной волны
10,6 мкм позволяет использовать СОг-лазер для сварки стеклянных элементов
электронных приборов: труб, оболочек, окон и т. п.
Для сварки деталей из обычных стекол вполне достаточен уровень мощно-
сти 50... 100 Вт, а для сварки кварца и металлостеклянных спаев необходимы
мощности 300 Вт и более.
При обработке электровакуумных стекол ряд принципиальных преимуществ
перед СОг-лазерами имеет СО-лазер. Относительно глубокое проникновение из-
лучения СО-лазера в электровакуумные стекла позволяет локализовать ЗТВ,
увеличить толщину сварных соединений, повысить их надежность, уменьшить
градиент температуры по толщине стенки обрабатываемых узлов, снизить тре-
бования по уровню мощности к источнику излучения. Отсутствие резких изме-
нений мощности, объемный характер поглощения излучения лазеров на СО, а
отсюда неизменность температуры на поверхности обрабатываемых изделий
позволяют стабилизировать технологические процессы.
11.6. Герметизация корпусов пайкой
Герметизация пайкой заключается в соединении металлических и металли-
зированных поверхностей узлов корпусов с помощью припоя. Применяют раз-
личные способы нагрева.
Простейший способ нагрева (кондуктивный) заключается в применении
нагревательных плит, на которые устанавливают предварительно собранные
детали корпуса, прижимаемые с небольшим усилием. Припойные прокладки
предварительно флюсуются погружением в раствор канифоли. Чем больше кор-
пус, тем труднее его паять. Чтобы обеспечить равномерность нагрева по пери-
метру корпуса при пайке, необходим тщательный контроль размеров нагрева-
теля. Чем длиннее периметр корпуса, тем труднее выдержать допуски на раз-
меры нагревателей. Недостатком этого способа является значительный нагрев
основания, несущего активную часть МЭУ,' а также необходимость применять
32* 499
Таблица 11.8. Состав и свойства
Химический
Марка припоя Sn 1 pb | Cd 1 B1
ПОС-61 59...61 Остальное 0,1
пос-61+3% 57...59 — —
ПОС-61+3 % 57...59 — —
ПОСК-50 50 32 18 —
ПОСИС-1 30 19 — —
ПОС-40 39...40 Остальное — 0,1
ПСр-2,5 5,5±0,5 92±1 — -—
ПСр-2 30±0,1 63± 1,5 5 ±0,5 —
ПОСВ-33 33,4 33,4 — 33,3
ПОСК-47 47 36 17 —
флюс, остатки которого трудно удалить полностью и который может попасть
внутрь корпуса.
Другой способ нагрева основан на подаче и обдуве корпуса со стороны
крышки горячим газом. При использовании струи горячего сухого азота или
аргона нет необходимости применять флюс. Пайку струей горячего газа выпол-
няют на двухместных установках.
В крупносерийном и массовом производстве пайку корпусов целесообразно
выполнять в конвейерных печах с защитной средой. В этом случае используют
конвективный способ нагрева. Для фиксации и прижима собранных деталей
корпуса их устанавливают в кассеты, которые, в свою очередь, помещают на
движущийся транспортер печи. Скорость движения транспортера и температур-
ный профиль печи обеспечивают оптимальный цикл пайки.
Достоинством пайки для герметизации является отсутствие значительных
давлений при герметизации и специального инструмента, к недостаткам отно-
сятся необходимость нагрева всего прибора до значительной температуры
(473...693 К), вредное влияние флюсов и высокие требования по плоскопарал-
лельности соединяемых поверхностей; если же пайка ведется без флюса, то
необходимо работать в атмосфере водорода (который не всегда желателен)
или дорогостоящего инертного газа.
.Для герметизации используют припои с температурой пайки от 353...358 К
(сплав Розе) до 673...693 К (ПСр-3) и выше. Особенно распространенным явля-
ется припой ПОС-61 (температура пайки около 483 К) и ПСр-2,5 (температура
пайки около 613 К) (табл. 11.8). Основным технологическим условием создания
паяного соединения является обеспечение взаимодействия жидкого припоя с
твердым металлом, которое в основном обусловливается смачиваемостью. Сте-
пень смачивания и растекания зависит от вида контактирующих металлов, со-
стояния поверхности (наличия окислов, шероховатости), а также условий пайки
(температуры, газовой среды, продолжительности пайки). Флюсы, применяемые
при пайке, не только растворяют окислы на поверхности твердого металла, но
п, являясь поверхностно-активными веществами, уменьшают поверхностное на-
тяжение припоев, способствуют улучшению смачивания и растекания.
При смачивании припоем паяемого металла возникает взаимодействие ме-
таллов, приводящее при затвердевании к образованию связи между кристалли-
тами. При этом могут наблюдаться три основных вида этой связи. Первый
вид взаимодействия возникает тогда, когда паяемый металл и припой обладают
взаимной растворимостью. Степень взаимной растворимости зависит от темпе-
ратуры и времени пайки. Второй вид — химическое взаимодействие с образова-
нием промежуточных слоев химического соединения припоя с металлом. Следует
<л метить, что наличие в припое даже в небольшом количестве компонентов, спо-
собных взаимодействовать химически или с образованием твердого раствора с
паяемым металлом, вызывает появление переходного слоя, в котором продиф-
фундировали атомы из припоя и металла. Третий вид возникает при контакте
500
используемых для герметизации припоев
состав, % Температура плавления, К Температура пайки, К
1 Zn 1 Ag Au 1 Sb
0,8 456 473...513
— 3 — 0,1 463 513...553
— —- 3 0,1 463 513...553
— — — 418 453
50 1 — — 403 443
— — 1,5—2 456...508 523
. 2,5 ±0,3 — — 568...578 . 593...623
— 2±0,3 — — 498...508 523...533
— — — — 403 443
— — — — 415 453
металлов, которые не вступают в химическую связь и взаимно не растворяются.
Сцепление затвердевшего припоя с металлом объясняется действием металли-
ческих сил.
При пайке корпусов с золотым покрытием следует учитывать, что при ис-
пользовании припоя в виде прокладки краевой угол смачивания по золоту со-
ставляет 0° и припой неограниченно растекается по золотой поверхности крыш-
ки корпуса. Поэтому процесс пайки осуществляют при строгом контролировании
температуры; так, для ПОС-61 температура не выше 483 К. Следует учитывать,
что качественно загерметизированные приборы в процессе хранения и испытаний,
особенно термических, теряют герметичность, что связано с продолжением рас-
творения нерастворившегося золотого покрытия в твердом припое, нарушаю-
щим герметичность шва. В процессе хранения, испытаний и эксплуатации при-
боров в паяном шве идут процессы упорядочения с изменением состава интер-
металлических фаз, в результате чего возможны уменьшение прочности при-
соединения крышки и потеря герметичности.
Исключить потерю герметичности после термических воздействий можно пу-
тем применения припоя с повышенной температурой плавления. Так, структура
швов, паяных припоем ПСр-2,5, после герметизации и выдержки в течение 500 ч
при температуре 423 К практически не меняется. Это объясняется тем, что по-
вышение температуры плавления приводит к повышению температуры его ре-
кристаллизации и резкому уменьшению скорости процессов возврата.
Возможна пайка изделий, покрытых золотом, с использованием свинцового
припоя в виде прокладки с нанесенным на нее покрытием из сплава олово-сви-
нец. Пайку проводят в атмосфере инертного газа при 493...553 К. Пайка деталей,
покрытых золотом, припоем на основе олово-свинец до сих пор сопряжена с
рядом проблем, связанных с образованием интерметаллических соединений.
Улучшение паяемости достигается при введении в припой индия, который по-
давляет образование интерметаллической фазы и улучшает смачиваемость.
При герметизации металлостеклянных корпусов МЭУ с использованием при-
поя на основе олово-висмут-индий сохранить прочность и герметичность шва
можно путем исключения золотого покрытия, так как в соединениях золото-
золото после термообработки на границах шва образуется сплошная полоса
интерметаллидов. Крышка корпуса легко отделяется от корпуса, разрушение
идет по границе между никелем крышки <и полосой интерметаллидов. В соеди-
нениях никель-никель после пайки прочность хорошая, после выдержки при
температуре 423 К в течение 500 ч прочность почти не меняется.
Хорошие результаты при пайке дает эвтектика золото-олово, содержащая
80% золота и 20% олова и имеющая температуру плавления 553 К. Пайка
осуществляется без применения флюса при температуре 593...623 К. Этот при-
пой плохо течет, поэтому пайка требует дополнительного времени. Для улуч-
шения растекаемости по золотому покрытию в припой золото-олово вводят
0,5...0,6 % висмута. Температура плавления такого припоя составляет 548 К,
501
температура пайки 583...603 К. Процесс пайки осуществляется в конвейерных
печах в среде инертного газа.
На качество герметизации оказывает влияние характер золотого покрытия.
Герметизацию золоченых корпусов пайкой без флюса можно осуществить при-
поями, содержащими 99...99,5% олова и 0,5... 1,0% висмута (последний может
быть заменен на сурьму или серебро). Золотом должна быть покрыта не вся
поверхность крышки, а только часть ее, входящая в зону шва, чтобы исключить
растекание припоя по внешней и внутренней поверхностям его крышки. Тол-
щина золотого покрытия при этом на крышке должна быть не более 1,5...2 мкм.
Пайку осуществляют без припойной прокладки за счет слоя припоя олово-
висмут, нанесенного на крышку. Слой припоя наносится в виде рамки или ва-
лика только по краю внутренней поверхности крышки. Толщина его должна
быть не менее 0,15 мм. Этот процесс используют в металлокерамическом кор-
пусе. Керамическая крышка его имеет на одной стороне нанесенный в виде
кольца слой припоя. На основание корпуса тоже в виде кольца нанесено золото.
При герметизации струей нагретого газа слой припоя на крышке плавится, сма-
чивает золото и герметизирует корпус без использования флюса.
Для снижения температуры внутри корпуса нагрев герметизируемого кон-
тура проводят со стороны крышки корпуса подвижным источником теплоты —
газоплазменным источником с использованием водородно-кислородного пламени,
получаемого при электролизе. При этом скорость перемещения источника теп-
лоты относительно корпуса соизмерима со скоростями распространения тепло-
вого потока в материале крышки.
Известно, что корпуса, герметизированные припоем ПОС-61, теряют герме-
тичность при термических испытаниях или в процессе эксплуатации. Поэтому
вопрос надежности герметизации не менее важен, чем вопрос исключения флю-
са и снижения температуры при герметизации. Причины низкой надежности
герметизации во многом заключаются в технологии изготовления крышки, так
как золотое покрытие в зоне шва не все растворяется в припое. Оставшийся
слой золота переходит в припой в процессе термических испытаний или эксплуа-
тации прибора, связь крышки с припоем нарушается, прибор теряет герметич-
ность, а часто и крышку. Обычно при пайке золотое покрытие наносят тол-
щиной не более 2...3 мкм, чтобы в процессе пайки оно полностью растворялось
в припое. Роль золота при этом заключается только в том, чтобы улучшить
смачиваемость основного металла припоем.
Золото должно ложиться на очень чистую, совершенно свободную от окис-
лов и каких-либо солей поверхность основного металла или промежуточного
слоя, защищая ее от окисления в процессе хранения или обработки деталей
до момента пайки. Очень часто на практике, особенно при золочении, поверх-
ность никеля, на которую осаждается золото, пассивируется. В этом случае
припой, растворив золото, не смачивает покрытую окисной пленкой поверхность
никеля и качественное соединение получить не удается. Когда же золочение ве-
дут из кислых электролитов, припой, растворив золотое покрытие, хорошо взаи-
модействует в процессе пайки с поверхностью никеля, образуя очень прочное
качественное соединение. Наиболее целесообразным с точки зрения надежности
представляется такой процесс герметизации, при котором крышка имеет селек-
тивное золочение (припой ОВИ), нагрев осуществляется струей горячего инерт-
ного газа, а золотое покрытие полностью растворяется в припое во время пай-
ки. В расплавленном виде припой взаимодействует с чистой поверхностью
никеля, находящегося под золотом, образуя после кристаллизации прочное гер-
метичное соединение.
Для снижения температуры перегрева применяют импульсные источники
нагрева — лазеры Длительность процесса герметизации лазерной импульсной
пайкой не превышает времени ретардации, которое определяется временем вза-
имного растворения припоя и металла крышки и временем образования интер-
металлических соединений:
г = гоехр
е(£т-+-^ж)
2
где г0 — постоянная времени; Er, Ет—энергия активации диффузии в твердой
и жидкой фазах.
502
Рис. 11.26. Зависимости усилия от-
рыва крышки, припаянной к основа-
нию, от времени предварительного
оплавления припоя на основании на
воздухе (/), в азоте (2) и в арго-
не (3)
Рис. 11.27. Зависимости процента
выхода годных по герметичности
корпусов от времени предваритель-
ного оплавления припоя на их осно-
ваниях на воздухе (/), в азоте (2)
и в аргоне (<?)
Количественную оценку температуры перегрева крышки и времени пайки
можно провести с помощью расчета. Графики зависимости температуры пере-
грева крышки от времени (рис. 11.26) показывают, что максимальная темпера-
тура (843...875 К при оптимальном режиме) достигается в момент окончания
импульса. При этом длительность процесса пайки составляет примерно 10-2 с.
Разность температур нижней и верхней поверхностей крышки не более 30 К,
причем их максимумы сдвинуты по времени на величину ta=h2/2a, где /i—-тол-
щина крышки; а — коэффициент температуропроводности материала крышки.
Никель как материал для корпусов является термодинамически более ус-
тойчивым, чем золото, что затрудняет пайку никелированных корпусов и тре-
бует выбора специальных припоев и флюсов.
При пайке плоских никелированных корпусов микросхем следует учиты-
вать, что применение активного коррозионного флюса в прокладочном методе
вызывает коррозионное поражение никелевой крышки, основания корпуса, а
также алюминиевой металлизации кристалла. Если основание корпуса золоче-
ное, то толстая припойная прокладка (120... 130 мкм) создает благоприятные
условия для роста хрупких интерметаллидных фаз.
Применение водорода в качестве газообразного флюса при пайке никели-
рованного корпуса приводит к водородному механизму коррозионного пораже-
ния. Помимо этого в присутствии водорода уменьшается ударная вязкость и
увеличивается хрупкость никелевых покрытий и паяного шва. Существенным не-
достатком метода является также отсутствие универсальности и возможности
автоматизации.
Однако применение сильноактивных коррозионных флюсов приводит не
только к коррозионному поражению алюминиевой металлизации, но также ни-
келевой крышки и никелированного основания плоского корпуса. Кроме того,
припой при оплавлении может иногда стекать в центральную часть кристалла.
Последний недостаток устраняется тем, что при герметизации пайкой в водо-
родной печи плакированная крышка располагается в кассете вверх герметизи-
рованной поверхностью, однако для образования прочного паяного шва недоста-
точно дозы припойного материала, плакированного на крышке.
При пайке возможно использование пастообразного само флюсующегося
припоя, которым обслуживается ободок основания плоского корпуса. Метод
обеспечивает полное исключение в процессе пайки коррозионного поражения
паяного шва, никелевого покрытия и алюминиевой металлизации. Имеется воз-
можность дозирования припоя, а также автоматизации процесса герметизации.
Критичным параметром является время предварительного оплавления
(рис. 11.27). Оптимальное время оплавления составляет 8... 10 с.
Поверхность припоя на основании плоского корпуса после оплавления в те-
чение 10 с имеет крупнозернистый характер с налетами неметаллической фрак-
ции. При увеличении времени оплавления до 20 с зернистость поверхности
уменьшается за счет выгорания неметаллической фракции.
503
Рис. 11.28. Элементы керамического
корпуса, герметизируемого стеклом:
1 — крышка; 2 — технологическая рамка с
выводами; 3— основание
Рис. 11.29. Полимерный корпус:
/ — баллон полиэтиленовый; 2 — флюс;
3 — трубка; 4 — пробка; 5 — подставка
Отмывка в теплой деионизованной воде и водных растворах спирта с по-
следующей сушкой также приводит к исчезновению неметаллической фракции
и уменьшению зернистости припойного сплава.
Хранение оснований с предварительно оплавленным припоем в защитной
атмосфере в течение 30 суток не оказывает влияния на герметичность корпусов.
Для керамических корпусов герметизацию можно осуществить путем пай-
ки стеклом. Применение специального кристаллизующегося стекла позволяет при
соответствующем тепловом режиме обработки использовать его не только для
пайки внешних выводов к керамическому основанию, но и для пайки (герме-
тизации) керамической крышки к основанию. Корпус состоит из основания и
крышки, покрытых с внутренней стороны стеклоприпоем на основе низкотемпе-
ратурной системы РЬО—ZnO—В2О3 (толщина покрытия до 0,3 мм). Особенно-
стью выводной рамки является ее объемная конструкция: поскольку формовка
выводов после герметизации недопустима, выводной рамке заранее придают
необходимую форму (рис. 11.28). Выводную рамку получают штамповкой из
сплавов 29НК или 47НД. Внутреннюю часть выводов алюминируют под по-
следующую УЗ-сварку перемычек (толщина покрытия не более 5 мкм).
Сборку выводов с основанием осуществляют в кассетах с одновременным
креплением кристалла в углублении основания. При температуре 813...823 К и
времени 30...35 с происходит припайка выводов и кристалла, причем кристал-
лизации стекла за это время не происходит.
11.7. Герметизация на основе органических материалов
Герметизация на основе органических материалов осуществляется в поли-
мерных и металлополимерных корпусах. Их эксплуатационные характеристики
определяются свойствами полимерных материалов и герметичностью проходной
арматуры. Конструкция металлополимерного корпуса приведена на рис. 11.29.
Рис. 11.30. Варианты конструктивного оформления клеевого шва и монтажной
площадки армированного вывода:
1 — крышка; 2 — основание; 3 — вывод; 4 — микросхема; 5—монтажное соединение
а — монтажный торец вывода предохранен от загрязнений при прессовании; б — торец
вывода затекает пластмассой; в — торец вывода затекает пластмассой, но зачистка уп-
рощена;
1 — основание; 2 — клеевой шов; 3 — крышка; 4 *— полость монтажа; 5 — вывод
504
4
Рис. 11.31. Капсульные конструкции корпусов с вертикальными выводами (а),
односторонняя пенальная (б) и двусторонняя пенальная (в) конструкции:
1 — капсула; 2 — микросхема; 3 — полимерное покрытие; 4 — вывод
Штыревые выводы корпуса выполняются несколькими методами (рис. 11.30),
конструктивное исполнение корпусов представлено на рис. 11.31.
Герметизацию металлополимерных и полимерных корпусов осуществляют
клеевыми соединениями. Процесс склеивания состоит из подготовки клеевого
материала и субстрата к склеиванию, нанесения клеевого материала на суб-
страт, отверждения клеевого материала и последующей выдержки до момента
эксплуатации.
Подготовка клеевого материала определяется его химической природой.
Если композиция однокомпонентна, состав гомогенизируют. Качество состава
проверяют определением его концентрации или вязкости. Если клеевая компо-
зиция состоит из основного компонента и структурирующего агента (отверди-
теля), необходимо строго соблюдать режим перемешивания во избежание преж-
девременного отверждения состава. При этом контролируют жизнеспособ-
ность клея.
Подготовка субстрата сводится к удалению с его поверхности загрязнений
и генерированию на ней функциональных групп, взаимодействующих с группами,
входящими в состав адгезива. Обычно подготовку проводят обезжириванием
(обработка инертным растворителем), механической (обработка абразивами)
или химической активацией поверхности субстратов (обработка окислителями).
Нанесение клеевого материала на субстрат определяется в первую очередь
вязкостью. Порошковые или гранулированные адгезивы следует наносить рас-
плавлением или напылением, в том числе в электростатическом поле. Приме-
нение пленочных клеев связано только с необходимостью обеспечения нужной
конфигурации, определяемой геометрией склеиваемых поверхностей. Высоковяз-
кие адгезивы требуют применения специального оборудования, работающего под
давлением, однако в ряде случаев достаточно ограничиться кистью или шпа-
телем.
Растворимые клеи средней и пониженной вязкости наиболее удобно нано-
сить на субстрат с помощью пульверизатора.
Распространенным способом нанесения клеевых составов является кистевой
способ. В современной технологии применяются постоянно питаемые кисти
Температура и продолжительность открытой выдержки определяют степень
совершенства клеевого шва вследствие удаления из него летучих компонентов.
Помимо этого необходимость в открытой выдержке обусловлена кинетическим
характером процесса сорбции адгезива поверхностью субстрата, связанным с
необходимостью достижения равновесных условий формирования площади кон-
такта, при которых обеспечиваются термодинамически наиболее выгодное распо-
ложение макромолекул на подложке и геометрическое соответствие реакционных
центров по обе стороны границы раздела фаз.
Отверждение клеевого материала — важная технологическая стадия процесса
склеивания. Ее особенности определяются закономерностями перехода адгезива
в трехмерное состояние. На практике режимы отверждения задаются темпера-
турой, давлением и продолжительностью.
Некоторые клеи отверждаются уже при комнатной температуре (например,
эпоксидно-полиамидные системы). Однако повышение температуры приводит к
ускорению процесса склеивания и в конечном итоге к образованию более эф-
фективной сетки химических межфазных связей. Часто рациональным режимом
505
отверждения является сложный ступенчатый нагрев. В технологии используют
инфракрасные, высокочастотные, индукционные и другие источники нагрева.
Давление в процессе отверждения клеев в основном определяет конструк-
ционные параметры МЭУ. Без давления трудно обеспечить регулярные сетки
межфазных связей. Давление предопределяет принудительный характер форми-
рования склеек. Чем ниже приложенная к изделию нагрузка, тем более аморфна
трехмерная структура отвержденного адгезива. Однако чрезмерная нагрузка
может привести к вытеканию клея, образованию пустот в клеящем слое, загряз-
нению ее торцов. Температура и давление склеивания предопределяют продол-
жительность отверждения клея.
Последующая выдержка склейки определяется необходимостью ее охлаж-
дения, завершения процесса структурирования клеевого шва и релаксации воз-
никающих в нем внутренних напряжений. Доотверждение адгезива и повыше-
ние прочности склейки можно ускорить дополнительным подводом энергии (кро-
ме тепловой), например у-облучением дозой до 0,05 Кр. Заключительную вы-
держку обычно проводят при комнатной температуре в течение нескольких
часов (клеи горячего отверждения) или 1...3 суток (клеи холодного отверждения).
Составы клеевого крепления и режимы для создания его перечислены
в табл. 11.9,
Таблица 11.9. Материалы для бескорпусной герметизации и способы их
нанесения
Изделие Назначение герметизации Г ерметизирующие материалы Способ нанесения материалов
Полупроводни- Стабилизация пара- SiO2, SUN4, AI2O3, Термическое
ковые приборы метров на стадии фосфорно- и бороси- окисление, пи-
в микросхемы производства ликатные стекла ролиз, азоти- рование
Герметизация изде- Компаунд ЭКМ, эма- Погружение,
лий бытового и об- щепромышленного на- значения ли КО-97, ЭП-91 нанесение с иг- лы
Тонкопленочные Стабилизация пара- SiO2, GeO, легкоплав- Вакуумное на-
микросхемы метров на стадии производства кие халькогенидные стекла пыление
Герметизация изде- Лаки ФП-525, УР-231, Распыление из
лий бытового и об- щепромышленного на- значения эмаль ФП-545 Эластичные компаун- ды типа «Виксинтэ, КТ-102 пульверизато- ра, погружение, полив Заливка
Толстопленоч- Герметизация изде- Тиксотропный ком- Обволакивание
ные микросхе- лий бытового и об- паунд Ф-17 погружением е
мы щепромышленного на- значения Порошковые компаун- ды ПЭП-177, ПЭК-19 механической вибрацией Обволакивание напылением в электростатиче- ском поле, вих- ревое напыле- ние
Бескорпусная и комбинированная герметизация. Герметизацию компаунда-
ми проводят с целью заполнения конструктивных промежутков изделия поли-
506
меризующимися электроизоляционными составами и образования твердой моно-
литной оболочки. Герметизируемое изделие в этом случае должно представлять
собой бескорпусную сборку подложки (кристалла) с системой внешних выво-
дов, в частном случае с применением ленточного носителя.
Герметизирующие компаунды составляются преимущественно на основе
эпоксидных, кремнийорганических или полиэфирных смол.
Эпоксидные компаунды характеризуются высокой адгезией, малой усадкой
(менее 1%), высокими механическими свойствами. Недостатком жидких соста-
вов является малая жизнеспособность, что исключает возможность централизо-
вать их приготовление в больших количествах, а также затрудняет механиза-
цию и автоматизацию процесса герметизации. В связи с этим предпочтитель-
ны порошкообразные композиции, которые при нагреве и небольшом давлении
приобретают высокую текучесть и хорошо заполняют форму. Порошкообразные
композиции можно использовать в виде таблеток, что облегчает дозирование
материала. Эпоксидные компаунды — основной вид герметизирующих пресс-
материалов.
На основе кремнийорганических смол можно получать эластичные компо-
зиции (табл. 11.10). Эластичность, а также высокая прочность кремнийкисло-
родных связей в структуре материала обеспечивают ему высокую термостой-
кость (до 523 К, а при кратковременных нагревах до 623...673 К). Однако ме-
ханические и адгезионные свойства кремнийорганических компаундов невысоки,
что предопределяет основную область их применения — предварительная защита
(обволакивание) сборки с целью фиксации гибких проволочных и ленточных
перемычек.
Полиэфирные компаунды обладают небольшой вязкостью и способностью
к отверждению при комнатной температуре. Их применяют в основном для
свободной заливки или обволакивания.
Обволакивание — способ герметизации, включающий нанесение капли
герметика на сборку или кратковременное погружение сборки в герметизирую-
щий состав. В обоих случаях внешние выводы остаются открытыми. Состав
должен обладать достаточно низкой вязкостью, которая при сушке медленно
повышается. Под действием сил поверхностного натяжения покрытие приобре-
тает форму, приблизительно повторяющую форму сборки с заполнением мел-
ких конструктивных промежутков. Для повышения механической прочности и
герметичности обволакивание можно выполнять в несколько приемов с подсу-
шиванием каждого вновь нанесенного слоя. Отверждение полученной оболочки
производится после сушки (удаления растворителей) при температуре и вре-
мени, которые указаны для каждой марки герметика.
Для окончательной герметизации микросхем обволакивание не применяют.
Этот процесс используют для предварительной защиты узла перед опрессовкой
или свободной заливкой.
Свободную заливку выполняют в открытом корпусе-капсуле (ме-
таллическом или пластмассовом), в котором размещена сборка подложки с
внешними выводами наружу. Для сборок со сложной арматурой целесообразно
предварительно заливать компаунд в капсулу с последующим погружением и
фиксацией сборки. Для фиксации положения сборки и исключения замыкания
на металлическую капсулу выводов в конструкции сборки должны быть пре-
дусмотрены соответствующие элементы. Чтобы адгезия к стенкам капсулы была
высокой, используют главным образом эпоксидные компаунды (например,
ЭК-16Б). Типичным примером конструкции микросхемы с использованием сво-
бодной заливки является металлополимерный корпус (рис. 11.32).
При свободной заливке отсутствует динамическое воздействие компаунда
на сборку, что уменьшает вероятность обрыва проволочных и ленточных пере-
мычек и позволяет в отдельных случаях исключать предварительную защиту их
обволакиванием. Способ заливки не требует специального технологического ос-
нащения, но имеет низкую производительность, так как индивидуальная дози-
ровка компаунда не позволяет применить групповые методы обработки. Для
облегчения дозировки используют таблетки из порошкообразных компаундов
соответствующей формы и размеров с отверстиями или вырезами под выводы.
Литьевое (трансферное) прессование является наиболее про-
изводительным и дешевым способом герметизации в серийном производстве
507
Таблица 11.10. Физические и технологический свой
Параметр ГК КЭН-1 КЭН-2
Вязкость по ВЗ-1 при 298±10 К, не менее 20* 120 350
Срок хранения, мес. 3 3 3
Жизнеспособность при 291 ±10 К, ч 2 5 6
Число компонентов в состоянии поставки 1 2 2
Режим отверждения, К/ч 20/20, 110/2, 150/5 60/5 или 80/3 25/20, 60/4 или 25/20, 80/3
Диапазон рабочих температур, К 213...473 213..473 193...473
Епр, кВ/мм, не менее Удельное объемное сопротивление, Ом-см, не менее 25 25 25
1014 1015 1014
Тангенс угла диэлектрических по- терь при 104 Гц, не более 3-Ю"3 io-2 8-Ю"3
Относительная диэлектрическая проницаемость, не более 3,5 3,5 3,5
Водопоглощение за 7 суток, % * Измерения проведены с использован! 0,2** нем вискозиметра 0,15 ! ВЗ-4. 0,3
Таблица 11.11. Физические и техно
Показатель К-81-39.. ЭФ П-606 ЭФ П-60
Текучесть по спирали, см, не ме- нее 90 150 80
Срок хранения при 293...298 К, мес 0,5... 1 3 1
Время выдержки в форме, мин 3...5 3...5 3...5
Температурный коэффициент ли- нейного расширения, 1/К 38-1О-6 36-Ю"4 35-1О-4
Температура стеклования, К 373 373 383
Предел прочности при изгибе, МН/м3, не менее 70 70 70
Удельная ударная вязкость, кДж/м2 8...10 5 5
Теплостойкость по Мартенсу, К 403 403 403
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом-см 1015 1014 1014
Тангенс угла диэлектрических по- терь при 1 МГц 0,02 0,03 0,03
Диэлектрическая проницаемость при 1 МГц 4,6 4,5 5
Электрическая прочность, кВ/мм 15 20 20
508
ства эластичных кремнийорганических компаундов
кэн-з КЭН-4 КЭТ-1 КЭТ-1Н КЭТ-2 КЭТ-2Н
480 900 90...240 180...300 90...240 180...300
3 3 3 3 3 3
8 — >5 >5 >5 >5
2 1 2 2 2 2
60/3 или 80/2 60/3 или 80/2 25...20 4-110/2 4-150/2 24/8
193...473 203...523 193...523 193...523 173...523 173...523
27 25 25 30 34 29
1014 1015 1015 1014 101Б 1015
8-Ю-3 8-Ю-4 ю-3 5-Ю-3 ю-3 22/10-2
3,5 3,5 3,5 3,5 3,0 4,0
0 0 0,07 0,02 0,11 0,03
** За 24 ч.
гические свойства пресс-материалов
ЭКП-200 КЭП-1 ТЭМП-250 КФП тэп тмп
150 35 40 50 90 80
1 — — 2 2 6
5...7 зо-ю-6 5...6 32Ч0-6 5...6 1510-4 5...7 23-Ю"6 2 3 (20..’25) • • ю-6 4...6 2510-6
413 60 383 75 403 65 433 45 433 80 433 80
5 5 18 3 8
443 1014 1014 396 1014 >573 1015 453 1015 До 473 1015
0,03 0,02 0,05 0,03 0,02 0,02
5 4,5 5 4,5 4,5 4,5
20 20 20 15 20 20
509
г)
Рис. 11.32. Металлополи-
мерные (а, б), пластмассо-
вый (в) и полимерный (г)
корпуса микросхем:
1 — корпус; 2 — вывод; 3 — по-
лимер
микросхем. В основе метода лежит использование временных (разъемных)
пресс-форм, как правило, многоместных, с общей загрузочной камерой. В каче-
стве исходного материала применяют пресс-порошки компаундов на основе
эпоксидных или кремнийорганических смол или их композиций. Для его осущест-
вления используют пресс-материалы из табл. 11.11. Повышенной теплостойко-
стью обладают эпоксикремнийорганические пресс-материалы ЭКП-200 и КПФ.
Пресс-материалы ТЭП и ТМП обладают высокой теплостойкостью, достаточно
низким ТКЛР. Помещенный в загрузочную камеру пресс-порошок (или таблетки)
разогревается, переходит в жидкое состояние и под давлением через литнико-
вые каналы подается в формующие гнезда. После выдержки под давлением в
течение 3...5 мин давление снимается, пресс-форма раскрывается, а изделие
выталкивается.
Наиболее эффективно применять литьевое прессование для сборок на основе
групповых плоских выводных рамок в виде отрезка ленты. Технологическая
групповая рамка, удаляемая впоследствии обрезкой, упрощает загрузку много-
местной пресс-формы, придает конструкции необходимую жесткость и несет на
себе базирующие отверстия, с помощью которых быстро и точно ориентируют
сборки в гнездах пресс-формы.
Изделия загружают в пресс-форму, смыкают ее и заливают материал под
давлением. Далее путем приложения усилия замыкают пресс-форму (фиксация
давления) и выдерживают необходимое время, а затем открывают ее и извле-
кают герметизированное изделие.
Технические характеристики установки герметизации пластмассой УГП-50
приведены ниже.
Технические характеристики установки герметизации пластмассой УГП-50
Усилие на штоке литьевого цилиндра, кН:
при опускании...........................................5... 120
при подъеме........................................19... 100
Усилие на зажимной плите пресса, кН:
при ускоренном подъеме...............................35
при замедленном (сжатие пресс-формы) .... 50
Ход зажимной плиты пресса, мм...........................230
Ход штока литьевого цилиндра, мм........................230
Наибольшее расстояние между верхней и зажимной пли-
тами пресса, мм.........................................630
Размер площади на зажимной плите пресса для разме-
щения пресс-формы, мм.................................. 500x500
Потребляемая мощность, кВт............................12
Размеры, мм . . . . ........ 1460x1000x2750
Масса, кг............................................. 2300
Вблизи ребра кристалла, залитого жестким полимером, возникают значи-
тельные термические напряжения, которые уже при комнатной температуре
близки к пределу прочности полимера. Область значительных касательных на-
пряжений и сдвиговых деформаций приходится на место присоединения про-
510
водников разводки, что является причиной их обрывов. Следовательно, в кон-
струкциях микросхем необходимо избегать контакта ребра кристалла и поли-
мерного корпуса, например, за счет введения эластичного подслоя. Однако дей-
ствие подслоя эффективно лишь в том случае, если технология его нанесения
гарантирует создание достаточно толстого слоя эластика непосредственно на
ребре кристалла.
Высокую надежность герметизации обеспечивают комбинированные
способы защиты поверхности полупроводниковых структур низкомодульными
полимерами, в частности кремнийорганическими эластичными компаундами в
сочетании с защитными материалами.
Среди эластичных защитных кремнийорганических материалов в полупро-
водниковой технике применяют компаунды типа КЛТ-30, «Эластосил», «Вик-
синт», НК. Высокими электроизоляционными свойствами, хорошей адгезией,
длительным сроком хранения и технологичностью отличается однокомпонентный
компаунд марки ГК (ТУ ЫУО, 028.021).
Для приборов, не подвергающихся действию высоких температур, разрабо-
тана серия эластичных компаундов низкотемпературного отверждения КЭН-1,
КЭН-2, КЭН-3, КЭН-4 (ТУ ЫУО.028.055). Для компаундов КЭН-1, КЭН-3 ха-
рактерна хорошая технологичность: время жизнеспособности после смешения
с катализатором вулканизации составляет 5...8 ч, отверждение при 333...353 К
происходит в течение 2...5 ч. Слои компаунда КЭН-2 толщиной до 15 см от-
верждаются как в закрытом, так и в открытом объеме с незначительным выде-
лением теплоты. По сравнению с другими ненаполненными компаундами, раз-
работанными на основе каучука СКТН, компаунды КЭН-2 и КЭН-3 отличаются
более высокой прочностью.
Термостойкие компаунды типа КЭТ (ЫУО.028.047 ТУ) допускают эксплуа-
тацию в широком диапазоне температур (от 173 до 523 К). Они выдерживают
кратковременный нагрев до 623...673 К и могут отверждаться в слоях значи-
тельной толщины. Свойства эластичных компаундов приведены в табл. 11.10.
Из кремнийорганических пассивирующих материалов перспективен материал
КА (ЫУО.029.66 ТУ), который в сочетании с компаундом КЭТ-2Н позволяет по-
высить стабильность параметров приборов при повышенных температурах.
В качестве защитных материалов широко используются одно- или двух-
компонентные материалы холодного отверждения и двухкомпонентные мате-
риалы ускоренного отверждения. Первые отверждаются обычно при комнатной
температуре в присутствии влаги воздуха (после чего возможен высокотемпе-
ратурный отжиг) с выделением небольшого количества побочных продуктов.
К ним относятся такие эластомеры, как эластосил 21-03, материалы типа КЛ,
ГТ-0, «Виксинты» ПК-68, К-18 и др.
Материалы ускоренного отверждения (НК-1, эластосил 159-26) отвержда-
ются при температуре 373...423 К без выделения вредных побочных продуктов
и после отверждения обладают более высокими физико-механическими пара-
метрами по сравнению с материалами холодного отверждения.
Для защиты элементов МЭУ, работающих в диапазоне температур
213...473 К (ТУ-6-299-77) разработан материал ускоренного отверждения — ком-
паунд 159-167 (СИЭЛ). Компаунд представляет собой смесь модифицирован-
ного кремнийорганического каучука и олигодиметилгидридсилоксана с 1%-ным
раствором платинохлористоводородной кислоты в изопропиловом спирте. В не-
отвержденном состоянии это однородная прозрачная жидкость, имеющая вяз-
кость не более 50 Па-с, жизнеспособность при 293 К не менее 6 ч. Компаунд
отверждается без выделения вредных побочных продуктов в интервале темпе-
ратур 293...473 К. Без катализатора компоненты компаунда могут храниться
при комнатной температуре в течение года.
Основные характеристики компаунда СИЭЛ и характеристик отвержденных
компаундов ГК, НК-1 и эластосила 21-03 приведены в табл. 11.12 и 11.13.
Высокая прозрачность ненаполненного компаунда позволяет применять его
для заливки светоизлучающих диодов и матриц из них, а также ряда фото-
электронных приборов и устройств. В то же время легкое подкрашивание
компаунда, делающее его практически непрозрачным, дает возможность исполь-
зовать СИЭЛ для защиты активных структур, которые нежелательно подвер-
гать действию света.
511
Таблица 11.12. Основные свойства компаунда 159—167
(режим отвердения: 6 ч при 423 К)
Параметр Температура, К
213 I 293 | 473
Внутренние напряжения, МПа 0,8 (8) 0,15 (1,5)
Коэффициент запаса прочности 5,5 24 20
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом • м — 5-10,т 5-10м
Тангенс диэлектрических потерь на частоте 1 кГц —* 10-’ 2 10-2
Относительная диэлектрическая про- ницаемость на человеке 1 кГц — 2,9 2,5
Электрическая прочность, МВ/м 25
Водопоглощение, % —< 0,2 —.
Содержание ионогенных примесей, % 10-’ —
Светопропускание в видимой обла- сти спектра пленки полимера тол- щиной 0,5 мм 95%' —•
Светопропускание пленки толщиной 0,5 мм, пигментированной окисью хрома 1%
Таблица 11.13. Основные физико-механические свойства
защитных эластомеров при различных режимах отверждения
Показатель
Модуль упругости, МПа
Прочность при растяже-
нии, МПа
Относительное удлине-
ние перед разрывом, %
Адгезия покрытий, МПа:
к кремнию
к золоту
к алюминию
к стеклу
к стеклотекстолиту
159-167 (СИЭЛ) Эластосил 21-03 ГК НК-1
293 К, 48 ч 333 к, 15 ч 373 К, 10 ч 423 К, 6 ч 473 К, 2,5 ч 293 К, 48 ч 333 к, 15 ч 273 К, 10 ч 333 к, 15 и 373 К, 10 ч 333 к, 15 ч 373 К, 10 ч
0,5 1,5 2,5 2,9 2,7 СО,36 0,42 0,48 0,68 0,72 1,2 1,3
0,42 1,7 3,3 3,6 3,5 10,28 0,3 0,34 0,58 0,7 0,75 0,85
275 145 120 105 100 140 125 85 315 330 70 80
— 1,8 3,5 4,2 4,5 0,4 0,5 — 0,1 0,5 0,25 0,3
—— 1,5 1,6 — —— — __ —
— 0,45 1,5 2,0 2,2 — — — — — —
— — 3,5 4,0 4,0
— 1,3 3,6 4,0 4,2 0,5 0,6 — 0,1 0,6 0,1 0,1
Примечание. Компаунд ГК и эластосил 21-03 перед отверждением при 333 и 373 К
должны выдерживаться сутки при 293 К.
Оптически прозрачные герметизирующие материалы. Для герметизации све-
тоизлучающих диодов, цифробуквенных индикаторов и других оптоэлектронных
приборов разработаны оптически прозрачные материалы: жидкие и порошко-
образные заливочные компаунды марок ОП-3, ОП-ЗМ, ОПР, ОР, ОП, пресс-
материал марки ОПП и оптические клеи марок ОПН-1, ОПН 2, ПО-2,
ОПК-1, ОПК-2 (табл. 11.14). Высокое светопропускание этих материалов со-
612
Таблица 11.14. Свойства оптически прозрачных компаундов
и пресс-материалов
Параметр ОП-3 ОП-ЗМ ОПП-1 ОР ОП< -2 л-1
Показатель пре- ломления Светопропускание образцов толщи- ной 1 мм, %: 1,517 1,515 1,574 1,505 1,485 1,54
при ?.^43О... 500 нм 74...82 72...82 80...86 — 82...90 0...30
при Х = 500... 800 нм 82...90 82...88 86 — 90...95 30...85
Интегральное све- топропускание при Х = 633 нм, % — — — Не бо- лее 70 — —
Светорассеивание под углом 30°, % — — — 12 — —
Тангенс угла ди- электрических по- терь, не более 0,015 0,015 0,03 0,02 0,025 0,03
Относительная ди- электрическая про- ницаемость *, не более 4,0 4,0 4,0 4,0 4,2 3,8
Удельное объемное электрическое со- противление *, Ом-см, не менее 1015 1015 1014 1015 1015 1014
Водопоглощение в холодной воде за 24 ч, °/о, не более 0,25 0,28 — 0,35 0,2 0,5
Температурный коэффициент ли- нейного расшире- ния, 10~б 1/град 50...55 65...70 55 45...50 65...70 84
Предел прочности на разрыв, МПа 20 30 73 40 40 —
Рабочая темпера- тура, к 398 398 403 398 373 для синей и 398 для ос- тальной видимой части спектра 398
♦ Значения параметр а измерены при температуре 293 К и частоте 104 Гц.
33 Заказ № 1270
513
Рис. 11.33. Светопропускание образцов ком-
паунда ОП-З в исходном состоянии (/),
после хранения в течение 30 суток в ка-
мере влаги (2), после хранения в течение
1000 ч при температуре 398 К (3)
Длина ЬолнЫ'Нм
Рис. 11.34. Спектры пропускания
компаунда ОП: желтого цвета (/),
красного цвета (2), зеленого цве-
та (3)
Рис. 11.35. Светопропускание образ-
цов клея ОПН-1, ОПН-2 в исходном
состоянии (/), после хранения в те-
чение 30 суток в камере влаги (2),
после хранения в течение 1000 ч
при температуре 398 К (3)
храняется и цосле длительного воздействия повышенной температуры и влаж-
ности (рис. 11.33).
Для увеличения контрастности свечения приборов герметизирующие ком-
паунды окрашивают в красный, желтый, зеленый цвета. При этом спектр про-
пускания окрашенного компаунда согласовывают со спектром излучения прибо-
ра (рис. 11.34).
Разработаны светорассеивающие компаунды марок ОПР, ОР, которые име-
ют высокое интегральное светопропускание и интенсивное светорассеяние, что
позволяет значительно расширить угол обзора индикатора.
Герметизация компаундами ОП-З, ОП-ЗМ, ОПР, ОР осуществляется за-
ливкой в форму: герметизация порошкообразным компаундом ОП требует его
предварительного плавления с последующей заливкой или нанесения предвари-
тельно отформованной таблетки на герметизируемый прибор с последующим
плавлением и отверждением. При использовании пресс-материала ОПП при-
меняется трансферное прессование при удельном давлении 0,3...5 МПа.
При герметизации стеклянных и стеклокерамических корпусов используют
порошкообразные и пленочные оптические клеи, отверждаемые при температуре
от 293 до 413 К.
Для оптических клеев марок ОПН-1, ОПН-2 температура отверждения со-
ставляет 293...353 К. Эти клеи обладают повышенной влагостойкостью и ста-
бильными оптическими свойствами (табл. 11.15, рис. 11.35). Пленочный оптиче-
ский клей ПО-2 и порошкообразные термостойкие клен ОПК-1 и ОПК-2 позво-
ляют механизировать процесс сборки и герметизации оптических деталей. Клеи
обладают повышенной термостойкостью, высокими диэлектрическими и адге-
зионными свойствами, высоким светопропусканием (рис. 11,36, 11.37).
Клеи могут быть изготовлены в виде пластинок определенной конфигура-
ции, таблеток, стержней, карандашей или в виде твердого покрытия на поверх-
ности склеиваемых деталей.
Клеи для криогенной техники. При низких температурах клеи работают
как конструкционные материалы, поэтому к ним предъявляются повышенные
Требования по прочности, рекомендуется использовать клеи на основе поли-
514
Таблица 11.15. Свойства оптических клеев
* Параметр ОПН-1 ОПН-2 ОП-81-1 О п-81-2 ОП-81-3 ОК-72Ф
Внешний вид Вязкая слег- ка желтова- тая жид- кость Вязкая жид- кость свет- ло-желтого цвета Вязкая сла- бо окрашен- ная жид- кость Паста от со- ломенного до темно- желтого цвета Паста от со- ломенного до темно- желтого цвета Вязкая светло- желтая жидкость
Показатель преломления: 77д исходного материала 1,545 1,495 1,58...1,599 1,6... 1,62 1,64... 1,65 1,550
27 д отвержденного материа- ла 1,555 1,512 1,60...1,62 1,625...!,642 1,66... 1,67 1,586
гтЗО 11 q отвержденного материа- ла — — 1,591...1,611 1,616...1,633 1,650...1,661 —
Светопропускание при толщи- не клеевого слоя 20...50 мкм, %:
при Х= 400...500 нм 80...90 80...90 — — 72...82
при Х=500...800 нм 90 90 95 90 90 82...90
Удельное объемное электриче- ское сопротивление, Ом-см 6-Ю14 6- 10й 1014 1014 1014 —
сл сл Тангенс угла диэлектрических потерь * 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 —
2 Окончание табл. 11.15
о . Параметра ОПН-1 ОПН-2 ОП-81-1 ОП-81-2 О П-81-3 ОК-72Ф
Относительная диэлектрическая проницаемость * 3,8 4,3 3,5...4 3,5...4 3,5...4 —
Водопоглощение в холодной воде за 24 ч, % 0,2 0,5 0,15 0,1 0,09 0,5
Предел прочности клеевого со- единения стекло-стекло при сдвиге, Мпа >9 >8 11 11 >2 9...10
Жизнеспособность при комнат- ной температуре Режим отверждения: 4...5 ч 2 ч 15 ч 1 мес 1 мес 40...50 мин
температура, К 353 353 393 423 423 323...333
продолжительность 20 20 20 20 20 7
Срок хранения в компонентах, мес 4 4 6 6 6 —
Рабочая температура, К 398 398 398 398 398 403
* Значения параметра измерены при температуре 298±5 К и частоте I04 Гц.
Рис. 11.36. Светопропускание клея
ПО-2 в исходном состоянии (1), по-
сле хранения в течение 1000 ч при
температуре 393 К (2)
Рис. 11.37. Светопропускание клея
ОПК в исходном состоянии (/) и
после хранения в течение 1000 ч при
температуре 423 К (2)
Таблица 11.16. Состав эпокситита-
носодержащих клеевых композиций
Марка клея - Состав, %
Смола | Отвердитель
К-8/8 50 50
К-1 90 10
К-82/2 90 10
К-115/2 90 10
К-77/5 30 20
К-73/4 77 23
Таблица 11.17. Физико-механические свойства клеевых композиций
Параметр К-8/8 К-1 К-82/2 К-115/2 К-77/ К-74/3 К-67
Предел прочности при сдви- ге, МПа:
в исходном состоянии 14,7 39 13,1 9,1 6,6 7,2 7,8
после 10 термоциклов по 30 мин от 77 до 423 К 14,3 6,7 15,4 10,6 9,8 6,4 8,5
после выдержки при тем- пературе 77 К в течение 100 ч 15,9 5,7 15,3 6,8 8,4 8,2 9,0
после выдержки в каме- ре влаги при 98%-ной влажности и температуре 313 К в течение 4 суток Теплопроводность, Вт/(м-к); 15,3 5,7 13,0 7,7 7,3 8,0 5,4
в исходном состоянии 1,5 2,0 — — 2,0 — 1,5
после 10 термоциклов от 77 до 423 К 1,0 0,9 — — 0,8 — 1,0
после выдержки при тем- пературе 77 К в течение 100 ч 1,0 1 — — 1,0 — —
после выдержки в тече- ние 4 суток в камере при 98%-ной влажности и температуре 313 К 0,8 0,5 0,8
517
уретанов и ароматических полимеров, содержащих гетероциклы (полибензими-
дозолы, полиимиды, полиимидазохиноксалины и лестничные полимеры).
Клеящие материалы на основе эпоксидных смол обладают высокими физико-
механическими свойствами при криогенных температурах, минимальной усадкой
при отверждении (до 2%), высокой адгезией к большинству конструкционных
материалов, высокой когезионной прочностью, возможностью отверждаться при
нормальной и повышенной температурах и хорошими технологическими свой-
ствами. К их числу относятся композиции К-1, К-8/8, К-82/2, К-115/2, К-77/5,
К-73/4, представляющие собой однокомпонентные клеи на основе эпоксититано-
содержащих олигомеров и отвержденные олигомерными отвердителями
(табл. 11.16), а также композиция К-67 на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и
отвердителя полиангидрида себациновой кислоты (УП-607). Отверждение эпокси-
титаносодержащих композиций проводится по ступенчатому режиму: подъем
температуры до 453 К в течение 3 ч, выдержка при 453, 463, 473 К по 3 ч.
Композиция К-67 отверждается при температуре 393 К в течение 24 ч.
В табл. 11.17 приведены данные по испытанию клеевых соединений при
склеивании после воздействия различных факторов. Для получения теплопро-
водных клеев в К-8/8, К-1, К-115/2 и К-67 добавляют в качестве наполнителя
нитрид бора. Оптимальным является объемное соотношение основы и наполни-
теля 10:7. Максимальная теплопроводность в этом случае составляет
1,5...2,0 Вт(М К).
11.8. Соединения выводов МЭУ на печатном монтаже
Типовые конструкции элементов и их соединений в узлах радиоаппаратуры,
выполненной на печатном монтаже, приведены на рис. 11.38. Соединения пе-
чатных проводников с выводами элементов осуществляются на контактных
площадках или в металлизированных отверстиях печатных плат без промежу-
точных контактов (лепестков, монтажных стоек и т. п.). Печатные проводники
и их контактные площадки выполнены из медной фольги толщиной 35...50 мкм,
предварительно приклеенной к гетинаксовой или стеклотекстолитовой подложке
платы. Материалы печатных плат (стеклотекстолит, гетинакс, клеи, применяе-
мые для их фольгирования) чувствительны при пайке к тепловому воздействию
и к составу паяльных флюсов и растворителей для отмывки их остатков.
В конструкции паяных соединений между поверхностями сопрягаемых мон-
тажных элементов предусматриваются оптимальные зазоры, определяемые со-
ставом выбранного припоя и особенностями процесса пайки. Оптимальный
зазор при пайке оловянно-свинцовыми припоями для типовой конструкции
соединения (рис. 11.38,6) устанавливается соотношением
do=dB+(O,2...O,3),
где d0 — диаметр металлизированного отверстия; dB — диаметр вывода ЭРЭ.
Фактически зазоры выполняются превышающими 0,4 мм; при этом не учи-
тывается, что удельное электрическое сопротивление оловянно-свинцовых при-
поев почти в 10 раз больше, чем у меди. С увеличением зазоров возрастает
переходное сопротивление паяных соединений и расход дефицитных высокооловян-
йых припоев, снижается механическая прочность, растет число усадочных ра-
ковин и увеличиваются затраты ручного труда.
Паяные швы электромонтажных соединений должны быть без избытка
припоя, иметь преимущественно скелетную форму с вогнутыми и непрерывными
галтелями припоя по всему периметру соединения (рис. 11.39). Скелетная фор-
ма (рис. 11.39,6) в отличие от заливной (рис. 11.39, а) позволяет видеть кон-
туры отдельных паяемых элементов и с большей достоверностью оценивать
качество монтажных соединений при их визуальном контроле.
Соединения пустотелых заклепок, лепестков, стоек и им подобных конст-
руктивных деталей с контактными площадками или печатными проводниками,
выполненными методом развальцовки или расклепки, должны быть пропаяны
по всему периметру развальцовки или расклепки. Поверхность галтелей при-
поя паяных швов должна быть гладкой, глянцевой или светло-матовой без
темных пятен, трещин, крупных пор, скоплений мелких газовых и усадочных
раковин, грубозернистости, без игольчатых и дендритных образований, наплЫ-
Рис. 11.38. Электрорадиоэлементы и их соединения на печатных платах:
а — штырьковые соединения на односторонних печатных платах; б — штырьковые соеди-
нения на двусторонних и многослойных платах; в — планарные соединения на платах
всех типов;
1 — подложка платы; 2 — вывод навесного ЭРЭ; 3 — корпус ЭРЭ; 4 — печатный провод-
ник; 5 — металлизированное отверстие в плате; 6 — контакт соединения; 7 контактная
площадка; 8 вывод ГПК; 5 — планка; 10 — ГПК; — диаметр вывода ЭРЭ; —диа-
метр металлизированного отверстия
вов, брызг и выступов припоя, уменьшающих минимально допустимое расстоя-
ние между соседними контактными площадками и печатными проводниками.
Типовой технологический процесс включает: флюсование
электромонтажных соединений; подсушку и подогрев узлов перед пайкой; пай-
ку соединений; отмывку остатков флюсов и сушку; подпайку и перепайку де-
фектных соединений; контроль над качеством. Паяльные флюсы предназначены
для удаления с паяемых металлов и припоя окисных пленок, предотвращения
образования их в процессе нагрева, снижения поверхностного натяжения
жидкого припоя и защиты подготовленных к пайке поверхностей от воздействия
внешней среды с целью сохранения их паяемости.
При лужении, консервации и пайке используют канифоль марки А и В
(ГОСТ 19113—73), а также жидкие паяльные флюсы (табл. 11.18).
Выбор флюсов для лужения и пайки производят с учетом металлов и
металлопокрытий монтажных элементов, их паяемости, наличия электроизоля-
ционных и антикоррозионных покрытий, совершенства применяемых методов и
средств последующей отмывки остатков флюса и контроля над качеством от-
мывки. По составу и свойствам флюсы подразделяются на две группы.
К первой относятся смолосодержащие, не вызывающие коррозии флюсы,
содержащие канифоль или полиэфирные смолы марок ПН-9, ПН-56.
Эти флюсы и их остатки не снижают электрическое сопротивление подложек
519
Рис. 11.39. Форма паяных соединений:
а — заливная; б — скелетная; h — высота металлизации монтажного отверстия; Ва — вы-
пуклая галтель паяного шва; hi — высота заполнения отверстия припоем;
1 — лепесток; 2 — припой; 3 — монтажный привод; 4 — подложка печатной Платы; 5 —
вывод навесного элемента; 6 — контактная площадка; / — металлизированное отверстие;
8 — планарный вывод ЭРЭ
печатных^ плат и электроизоляционных покрытий на проводах и не вызывают
коррозии меди и покрытий из других металлов, но имеют слабую флюсующую
активность и преимущественно предназначены для пайки монтажных элементов,
выполненных из меди, серебра, золота или неметаллических материалов, покры-
тых медью, серебром, золотом или оловянно-свинцовыми, оловянно-висмутовыми
и другими сплавами с высокой паяемостью. Процесс пайки должен выполняться
припоями, температура пайки которых 473...573 К.
Наряду с использованием в процессах пайки флюсы марок ФКСп, ФКЭт
и ФПЭт применяются консервирующие покрытия, сохраняющие паяемость пе-
чатных плат и выводов ЭРЭ при длительных сроках складского хранения.
Вторую группу составляют коррозионно-активные флюсы, которые не со-
держат смол, обладают высокой флюсующей активностью при температуре
пайки 413...673 К. В исходном состоянии они и их остатки после пайки вызы-
вают коррозию металлов, снижают электрическое сопротивление изоляции.
Коррозионно-активные флюсы применяют в процессах лужения и восстанов-
ления паяемости монтажных элементов перед последующей их консервацией
или пайкой с помощью флюсов со слабой флюсующей активностью. Флюс
ФДФс предназначен для лужения оловянно-свинцовыми, оловянно-вис-
мутовыми и серебряными припоями монтажных элементов, выполненных из ста-
ли, никеля, ковара, нихрома, пермаллоя и других металлов с пониженной паяе-
мостью.
Флюс ФРГи эффективен при лужении, пайке и оплавлении оловянно-свин-
цовых металлопокрытий методом погружения в нагретый флюс. Флюс марки
ФТБф в отличие от всех остальных эффектов при лужении, пайке и плавлении
оловянно-свинцовых металлопокрытий методом погружения в нагретый флюс.
Флюс марки ФТБф в отличие от всех остальных эффективен при лужении и пай-
ке монтажных элементов, выполненных из алюминия или сплава АМц.
Флюсование каждого отдельного соединения выполняется вручную с помо-
щью кисти или дозатора (рис. 11.40), если последующая пайка производится
электропаяльником. Изменяя усилие сжатия полиэтиленового баллона дозатора,
520
Та б л и ц a 11.18. Марки, состав и свойства флюсов
Марка флюс 1 Составляющие Содержание по массе, % Температур- ный интервал активности, К Влияние флюса и его остатков
на электриче- ское сопротив- ление изоляции на медь и ее покрытие
ФКСп ФКЭт ФПЭт ФКТ ФТС ФГСп ФСкПс ** ФДФс ФДГл ФТБф * Полиэф! ** Паста с Канифоль сос- 10...60 новая Спирт этиловый 40...90 473...573 или этилацетат Смола ПН-9 15...50 476...623 Не влияют Коррозии или ПН-56* не вызыва- Этилацетат 50...85 ют Канифоль сос- 20...50 новая Тетрабромид 0,05...0,1 473...573 дипентена Спирт этиловый Остальное Кислота салли- — 413...573 Снижают Вызывают циловая электриче- коррозию Спирт этило- ское сопро- вый тивление изоляции Гидразин соля- 2...4 438...623 но-кислый Глицерин 25...50 Спирт этило- Остальное вый Семикарбазид 3...5 433...673 гидрохлорид Полиокс-100 27...37 Глицерин - Остальное Диэтиламин со- 20...25 473...673 ляно-кислый Кислота орто- 20...25 фосфорная (плотность 1700 кг/м3) Этиленгликоль Остальное Диэтиламин 4...6 438...623 соляно-кислый Глицерин Остальное Кадмий бор- 9... 11 фтористый Цинк борфто- 2,5...3,5 Снижают Вызывают ристый электриче- коррозию Аммоний бор- 4,5...5,5 543...623 ское сопро- фтористый тивление Триэтанола- Остальное изоляции мин jpHbie флюсующие смолы (ТУ-6-0,5-1777—76). ветло-желтого цвета.
521
Рис. 11.40. Дозатор флюса:
1 — баллон полиэтиленовый: 2 — флюс;
3 —«трубка; 4 — пробка; 5 — подставка
J 4
Рис. 11.41. Флюсование пульвериза-
цией:
1 — пульверизатор; 2 — печатная плата
флюсуемого узла; 3— ванна; 4 — флюс;
А—направление транспортировки узла
можно с большой точностью регулировать количество подаваемого флюса и
производить отсос избытка его в баллон. Дозатор исключает испарение сильно-
летучих составляющих флюса, сохраняет постоянными его состав и жидкоте-
кучесть, обеспечивает экономный расход флюса и чистоту на рабочем месте.
Перед механизированной пайкой флюсование соединений выполняется преи-
мущественно следующими групповыми способами: пульверизацией, волной жид-
кого или пенообразного флюса, погружением в ванну с флюсом.
Групповое механизированное флюсование соединений в узлах на печатном
монтаже производится по схеме: флюс в жидком, вспененном или распыленном
состояниях наносится на печатную плату, свободную от навесных элементов.
При флюсовании пульверизацией (рис. 11.41) участвующий
в процессе флюсования и дозируемый пульверизатором флюс не возвращается
в ванну после флюсования очередного узла. Ванна с флюсом постоянно за-
крыта крышкой, которая исключает испарение летучих составляющих и изме-
нение состава флюса. Флюс в ванне находится в состоянии покоя.
При флюсовании струей жидкого флюса (рис. 11.42) участ-
вует вся масса флюса, находящаяся в открытой ванне с большой поверхностью
испарения. Для поддержки постоянства состава во флюс периодически добав-
ляют летучую составляющую. Флюсование происходит с избытком флюса, кото-
рый частично удаляется щетками, расположенными над ванной со стороны схода
флюсового узла с волны флюса.
Флюсование пенообразной волной флюса (рис. 11.43) со-
вершается всей массой флюса в открытой ванне с большой поверхностью ис-
парения. Пенообразная волна формируется щелевым соплом вспениванием
жидкого флюса струями воздуха, подаваемого в трубку из мелкопористой ке-
рамики под давлением 0,01...0,03 МПа (0,1...0,3 атм). Из-за перемешивания,
продувки воздухом и большой поверхности испарения состав флюса в ванне бы-
стро изменяется. Возрастает вязкость, ослабевает капиллярный эффект, умень-
шается количество подаваемого в зазоры флюса, снижается качество пайки
Флюсование погружением в ванну совершается при участии всей
массы флюса в открытой ванне с большой поверхностью испарения. Но флюс
находится в спокойном состоянии, изменение его состава происходит не так
быстро, как при флюсовании пенообразной или жидкой волной. Подается он с
большим избытком; для стекания флюса узел выдерживают над ванной от 4
до 6 с, что снижает производительность и повышает расход флюса из-за его
испарения. Необходимо поддерживать постоянным уровень флюса в ванне.
Подсушка и подогрев узлов перед пайкой. После флюсо-
вания проводят подсушку флюса и подогрев печатной платы, совмещая эти опе-
рации. При флюсовании жидкий флюс смачивает поверхность печатной платы
не только со стороны пайки, но и частично со стороны установки корпусов
навесных элементов. При последующей групповой пайке погружением или вол-
ной припоя, нагретого до температуры 473 К и более, происходит бурное кипе-
ние до полного перехода жидкой составляющей флюса в парообразное состо-
яние.
Превращение жидкости в пар совершается без повышения температуры на
паяемых элементах с большими затратами теплоты, которое отбирается от
припоя. Это приводит к снижению температуры пайки и к увеличению времени
нагрева и пайки электромонтажных соединений. Под платой образуются паро-
522
Рис. 11.42. Флюсование струей жид-
кого флюса:
1 — ванна; 2 — флюс; 3 — сопло, формиру-
ющее волну флюса; 4— печатная плата
флюсуемого узла; 5 — волна флюса; 6 —
насос центробежный; А — направление
транспортировки узла
Рис. 11.43. Флюсование пенообраз-
ной волной флюса:
/ — трубка мелкопористая керамическая;
2 — ванна; 3 — жидкий флюс; 4 — сопло,
формирующее пенообразную волну флю-
са; 5 — пенообразная волна флюса; 6 —
печатная плата флюсуемого узла; А —
направление транспортировки узла
вне подушки, которые препятствуют свободному доступу припоя к соединяемым
элементам. Отдельные струи пара под значительным давлением пропитываются
сквозь зазоры в монтажных отверстиях на противоположную сторону платы
и увлекают с собой мелкие (0,01...0,3 мм) частички жидкого припоя, ко-
торые налипают на выводах и корпусах элементов в местах, недоступных для
визуального контроля. Отрыв и попадание частичек припоя между печатными
проводниками при последующей лакировке узлов приводят к снижению со-
противления изоляции, коротким замыканиям и выходу в брак готовых изделий.
Подсушка обеспечивает полное удаление до начала пайки жидкой состав-
ляющей флюса. Кроме того, подогрев обеспечивает равномерный подогрев пе-
чатной платы и ослабляет тепловой удар и степень коробления платы в мо-
мент контакта с жидким припоем при последующей групповой пайке. Темпера-
тура предварительного подогрева узлов, содержащих навесные элементы с
теплостойкими элементами температуру снижают на 5...10 К.
Групповые процессы пайки. Групповая пайка — технологический процесс
одновременного нагрева и пайки соединений навесных элементов, предваритель-
но смонтированных в узел, выполняется: погружением в припой; волной при-
поя; групповыми паяльниками; струей горячего газа.
Пайка погружением в припой состоит в том, что после флюсо-
вания и подогрева печатная плата узла стороной, свободной от корпусов навес-
ных элементов, погружается на 2...4 с в припой, нагретый до оптимальной тем-
пературы пайки, на глубину 0,5...0,8 толщины платы. Одновременное контакти-
рование паяемых элементов платы с жидким припоем вызывает быстрый груп-
повой нагрев соединений до температуры пайки, смачивание сопрягаемых по-
верхностей и затекание припоя в зазоры под действием капиллярного эффекта и
вибрации промышленной частоты, которая подается извне в припой или на плату
в момент ее отрыва от зеркала припоя. Оптймальная температура пайки под-
держивается в ванне автоматически. Снижение ее в процессе пайки каждого
узла составляет 2...3 К, и к началу следующего цикла пайки она восстанавли-
вается до исходного значения. Пайка погружением может производиться в не-
глубоких ваннах с малой массой, требующей минимального времени на
разогрев до рабочей температуры. Наличие большого зеркала припоя требует
тщательной очистки от окислов перед началом пайки каждого узла.
Пайка волной припоя заключается в том, что после операций флю-
сования и подогрева узла его печатная плата стороной, свободной от корпусов
навесных элементов, перемещается по гребню ламинарной волны жидкого при-
поя, которая образуется над зеркалом ванны с помощью щелевого сопла и ме-
ханического или электромагнитного насоса (рис. 11.44). Используются высоко-
оловянистые припои ПОС-61, ПОССУ-61-0,5 и реже ПОССУ-50-0,5, а ПОС-61М
и ПОСК-50-18, содержащие медь и кадмий, к применению в ваннах с волно-
523
образователями не допускаются из-за быстрой потери жидкотекучести и сма-
чиваемости.
Непрерывное движение и обновление припоя, подаваемого насосом из глуби-
ны ванны, обеспечивают условия, при которых поверхность гребня волны к мо-
менту контактирования с печатной платой не успевает окислиться. При этом в
припое, выполняющем функции теплоносителя, создается постоянная заданная
температура пайки, а также сокращается время нагрева, смачивания и форми-
рования паяных соединений. Оптимальная температура пайки волной припоев
составляет 523...543 К. Время групповой пайки зависит от толщины и длины
платы, а также от ширины гребня волны припоя, контактирующей с поверхно-
стью платы, и косвенно определяется скоростью движения паяемого узла. Ши-
рина гребня волны, контактирующая с поверхностью платы, обычно измеряется
с помощью линейки и прозрачной пластины из кварцевого или другого тепло-
стойкого стекла, которая устанавливается в кассету вместо платы.
Непрерывное движение платы относительно струй жидкого припоя на греб-
не волны обеспечивает смывание остатков флюса, свободный выход газов, обра-
зующихся под платой, и хорошие условия теплопередачи и формирования пая-
ных соединений преимущественно скелетной формы. Наклон платы к горизон-
тальной плоскости 0...200 усиливает эффективность происходящих явлений и
исключает образование наплывов, сосулек и перемычек припоя между элемен-
тами.
Длина печатных плат паяемых узлов не ограничивается размерами зеркала
припоя в ванне, а ширина их зависит только от длины сопла волнообразователя.
Обычная система пайки волной припоя неэффективна для монтажа микро-
корпусов, так как припой не может подтекать под них и достигать металлизиро-
ванных участков. Вместо этого припой должен обтекать прибор вокруг. При
этом один из концов прибора может блокировать другой конец от потока припоя.
Решением этой проблемы является пайка двойной волной, когда первая
волна посылает струю припоя, обеспечивающую хорошее смачивание металли-
зированных участков. Вторая, более слабая волна, удаляет избыток припоя и
позволяет избавиться от коротких замыканий. Для такой пайки требуется по-
гружение в припой (ПОС-61) при 533 К в течение 2...5 с.
Волну припоя используют для групповой механизированной пайки соеди-
нений планарной конструкции в узлах с двусторонним расположением корпусов
навесных элементов на обычных и многослойных печатных платах. Для этой
цели каждый типоразмер узлов оснащают специальным приспособлением, кото-
рое надежно защищает корпуса навесных элементов от воздействия волны при-
поя и одновременно обеспечивает его свободный доступ к соединениям пла-
нарных выводов, с контактными площадками платы. На качество соединений
отрицательное влияние оказывает снижение текучести и смачиваемости у при-
поев, работающих в ваннах с волнообразованием, при котором ниспадающий
с вершины волны поток припоя непрерывно захватывает с зеркала ванны име-
ющиеся там окислы, замешивает их в общую массу припоя и ухудшает его
свойства.
Количество окислов, замешиваемых в припой, возрастает с увеличением вре-
мени волнообразования, высоты волны, неламинарности ниспадающих с ее греб-
ня потоков припоя и с образованием воронки в припое вокруг вращающегося
вала насюса. Обладая меньшей, чем у припоя, плотностью, окислы накаплива-
ются на поверхности ванны в виде серой кашеобразной массы, слой которой все
увеличивается и через 30...40 ч работы составит десятки миллиметров. Одновре-
менно начнет возрастать количество взвешенных окислов в припое, поступаю-
щем через насос и сопло на гребень волны. Окислы вызовут в паяных соедине-
ниях ряд характерных дефектов: наплывы, сосульки и перемычки припоя между
элементами печатного монтажа, потемнение, грубозернистость и дендритные об-
разования в припое, несплошное обслуживание контактных площадок, неполное
заполнение припоем зазоров в соединениях и выпуклые галтели Паяных швов.
Результативным методом обеспечения стабильного высокого качества пайки
волной служит периодическая полная замена припоя в ваннах. Замедлить про-
цесс загрязнения припоя окислами и увеличить сроки его использования можно
за счет упорядочения условий работы ванн с волнообразователями. Пайка долж-
на выполняться на ламинарной волне при минимально возможной ее высоте от
524
Таблица 11.19. Состав и свойства растворителей
Ти 1 о ’.с г д ри геля Характеристика растворителя
Растворяемые остатки флюсов Температура, К Нижний пре- дел взрыво- опасной кон- центрации, % Допустимая концентрация в рабочей зо- не, мг'м3 Относитель- ная скорость [ испарения* |
кипения вспышки самовос- пламене- ния
Метилен хлори- стый ФКСп, ФКЭт, ФКТ, ФПЭт 303 259 853 12 50 2,0
Этиловый спирт ФКСп, ФКЭт, ФКТ 351,4 286 677 3,6 1000 8,3
Смесь бензина марки БР-1 с эти- ловым спиртом в отношении 1 или 2 : 1 ФТС, ФКСп, ФКЭт, ФКт, ФГСп, ФДФс, ФСкПс 351 248 503 1,2 300 3,5
Трихлорэтилен ФКСп, ФКЭт, ФКТ, ФНЭт 360,3 — — — 10 3,8
Вода горячая ФГСп, ФДФс, ФСкПс, ФДГл, ФТБф 373 — — — — —-
* По сравнению с эфиром.
гребня до зеркала припоя в ванне. Система волнообразования должна работать
в пульсирующем режиме, автоматически включая волну припоя лишь на время
пайки очередного узла. Уровень припоя в ванне при работающей системе вол-
нообразования должен исключать появление воронки припоя вокруг вращаю-
щегося вала насоса и захват в нее окислов с зеркала ванны.
Для защиты припоя*от окисления используют растительные масла: пальмо-
вое, арахисовое и хлопковое, минеральные «Шелл» и др. Отечественная техно-
логия использует канифоль марок А и В, а также защитные жидкости ЖЗ-1
и ТП-22 (ОСТ4Г0.033.200). Канифоль подают на очищенное от окислов зеркало
ванны до образования сплошного слоя 5... 10 мм и по мере возгонки канифоли
и образования разрывов в слое его восстанавливают дополнительно подаваемой
канифолью. Полное обновление канифоли в ванне следует производить не чаще
чем через 150 ч ее нахождения на зеркале расплавленного припоя. Сроки дей-
ствия защитных жидкостей ограничены несколькими часами. Канифоль еще
обладает флюсующими свойствами, и ее замешивание в массу припоя в ванне
приводит к восстановлению части окислов и рафинированию сплава. Дополни-
тельная подача канифоли производится вручную 3...4 раза в смену.
Пайка групповыми паяльниками производится последовательно
по группам выводов каждого из навесных элементов с применением группового
прижима-теплоотвода при косвенном нагреве от двух электропаяльников, встроен-
ных в паяльную головку, которая работает в автоматическом режиме. Приме-
няется для присоединения планарных выводов микросхем к контактным пло-
щадкам обычных и многослойных печатных плат.
Пайка струей горячего газа используется при пайке электромон-
тажных соединений планарной конструкции, преимущественно при монтаже ГПК
и шлейфов на печатных платах или при соединении их концов между собой.
Перед монтажом концы подвергают лужению с дозированием припоя марки
ПОС-61, ПОСК-50-18 или ПОСВ-33, которую выбирают в зависимости от теп-
лостойкости материала подложки. На монтажные элементы наносят флюс мар-
ки ФКСп или ФПЭт и подсушивают его на воздухе в течение 3...5 мин.
525
В качестве основных газов-теплоносителей в этом способе пайки применяют
гелий, аргон или их смеси. Температура газа, измеряемая на выходе его из
сопла, косвенно предопределяет температуру пайки. Она устанавливается опыт-
ным путем и зависит от применяемого газа, его расхода, формы и диаметра
сопла, расстояния от его торца до зоны нагрева и от скорости ее перемещения.
Для соединений ГПК, паяемых припоем ПОС-61 с нагревом в струе гелия,
температура газа 573...673 К, а время пайки или, иначе, скорость перемещения
паяльной головки составляет 0,1...0,2 м/мин.
Растворители для отмывки остатков паяльных флюсов. Остатки флюсов
после лужения и пайки удаляются отмывкой в растворителях, основные свой-
ства которых приведены в табл. 11.19. Высокая растворяющая способность
растворителей проявляется не только во взаимодействии с остатками флюсов;
они частично или полностью растворяют некоторые составы маркировочных
красок, эмалей, лаков, клеев.
Список литературы
1. Батавин В. В., Концевой Ю. А., Федорович Ю. В. Измерение параметров
полупроводниковых материалов и структур.— М.: Радио и связь, 1985.—264 с.
2. Березин А. С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интеграль-
ных микросхем/Под ред. И. П. Степаненко.— М.: Радио и связь, 1983.—232 с.
3. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. о
англ.—М: Мир, 1985.—496 с.
4. Вендик О. Г., Горин Ю. Н., Попов В. Ф. Корпускулярно-фотонная тех-
нология.— М.: Высшая школа, 1984.—240 с.
5. Гуль В. Е., Шенфиль Л. 3. Электропроводниковые полимерные компози-
ции.— М.: Химия, 1984.—240 с.
6. Гуськов Г. Я., Блинов Г. А., Газаров А. А. Монтаж микроэлектронной
аппаратуры.— М.: Радио и связь, 1986.— 176 с.
7. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные и распылительные системы.—
М.: Радио и связь, 1982.—72 с.
8. Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материа-
лов.— М.: Радио и связь, 1986.—282 с.
9. Ионная имплантация в полупроводниках и других материалах. Сб. ста-
тей/Под ред. В. С. Вавилова.— М.: Мир, 1980.— 200 с.
10. Крапихин В. В., Соколов И. А., Кузнецов Г. Д. Физико-химические ос-
новы технологии полупроводниковых материалов.— М.: Металлургия, 1982.
11. Курносов А. Н. Материалы для полупроводниковых приборов и инте-
гральных схем.— М.; Высшая школа, 1980.—327 с.
12. Легирование полупроводников методом ядерных реакций/Под ред.
Л. С. Смирнова.— Новосибирск: Наука, Сибир. отд., 1981.—179 с.
13. Мильвидский М. Г., Освенский В. Б. Структурные дефекты в монокри-
сталлах полупроводников.— М.: Металлургия, 1984.—256 с.
14. Нашельский А. Я., Гнилов С. В. Расчеты процессов выращивания леги-
рованных монокристаллов полупроводников.— М.: Металлургия, 1981.—91 с.
15. Нашельский А. Я. Монокристаллы полупроводников.— М.: Металлур-
гия, 1978.—200 с.
16. Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов.— М.: Ме-
таллургия, 1987.—336 с.
17. Обработка полупроводниковых материалов/Под ред. Н. В. Новикова,
В. Бертольди.— Киев: Наукова думка, 1982.—254 с.
18. Парфенов О. Д. Технология микросхем.— М.: Высшая школа, 1986.
19. Справочник по пайке/Под ред. И. Е. Петрунина.— М.: Радио и связь,
1984.—400 с.
20. Технология СБИС. В 2-х кн.: Пер. с англ./Под ред. С. Зи.— М.: Мир,
1986.— Кн. 1 —453 с.
21. Технология тонких пленок: Справочник/Под ред. Л. Майселла и Р. Глэн-
га; Пер. с англ, под ред. М. И. Елинсона и Г. Г. Смолко.— М.: Сов. радио,
1977.—Т. 1, 2.
22. Физико-химические методы обработки полупроводников/Под ред.
Б. Д. Луфт.— М.: Радио и связь, 1982.—136 с.
526
Оглавление
Предисловие ........................................................
Глава 1. Методы получения, очистки и легирования монокристаллических
материалов .........................................................
1.1. Основные материалы для полупроводниковых и микроэлектронных
устройств ..........................................................
1.2. Методы направленной кристаллизации из расплавов . . . .
1.3. Методы получения равномерно легированных монокристаллов полу-
проводников ........................................................
1.4. Программирование кристаллизационного процесса (изменение усло-
вий роста монокристаллов)...........................................
1.5. Маркировка и основные свойства поликристаллических и монокри-
сталлических полупроводников ............................. *
Глава 2. Механическая обработка кристаллов полупроводниковых мате-
риалов .............................................................
2.1. Подготовка монокристаллов к резке на пластины..................
2.2. Материалы для наклейки слитков, пластин и кристаллов
2.3. Резка монокристаллов...........................................
2.4. Материалы для шлифования и полирования монокристаллических
материалов .........................................................
2.5. Шлифование и полирование пластин...............................
2.6. Контроль качества пластин полупроводниковых материалов
2.7. Разделение пластин.............................................
Глава 3. Полупроводниковые подложки и физико-химические методы
обработки их поверхности ...................................... ...
3.1. Требования к полупроводниковым подложкам.......................
3.2. Методы контроля качества полупроводниковых подложек
3.3. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников
3.4. Ионно-плазменное травление.....................................
3.5. Геттерирование примесей и дефектов в полупроводниковых подлож-
ках ................................................................
3.6. Методы получения окисных пленок германия.......................
Глава 4. Диффузия в полупроводниках.................................
4.1. Физические процессы, происходящие при диффузии примеси в полу-
проводниках ........................................................
4.2. Расчет распределения примеси при диффузии......................
4.3. Диффузия примесей III и V групп в кремнии с коэффициентом диф-
фузии, зависящим от концентрации примеси............................
4.4. Аномальные результаты процесса диффузии примесей III и V групп
в планарной технологии кремниевых приборов .........................
4.5. Методы проведения диффузии.....................................
4.6. Внешние источники примеси для кремния..........................
4.7. Примесные покрытия.............................................
Глава 5. Технология эпитаксиальных слоев............................
5.1. Физические основы процесса эпитаксии...........................
5.2. Методы проведения эпитаксии....................................
5.3. Методы, стимулирующие эпитаксию........................
5.4. Легирование в процессе эпитаксии...............................
5.5. Контроль параметров эпитаксиальных слоев
3
4
4
17
42
52
54
61
61
67
69
78
87
94
100
105
105
108
113
129
149
154
163
165
172
177
189
204
204
204
214
227
22ё
527
Глава 6. Ионная имплантация...........................................231
6.1. Физические основы ионной имплантации...........................231
6.2. Образование радиационных дефектов..............................239
6.3. Отжиг легированных структур....................................241
6.4. Технологическое оборудование для ионной имплантации . . . 245
6.5. Ионная имплантация как технологический прием при создании МЭУ 257
6.6. Методы исследования ионно-легированных слоев................258
Глава 7. Технология тонких пленок ................................... 262
7.1. Термовакуумный метод получения тонких пленок....................262
7.2. Импульсное нанесение пленок......................................274
7.3. Получение пленок из ионизированных потоков многоатомных частиц
методами ионного осаждения..........................................278
7.4. Методы определения толщины пленок.................295
Глава 8. Фотошаблоны и технология их изготовления.....................298
8.1. Общие сведения, термины и определения............................298
8.2. Основное технологическое оборудование для изготовления ФШ . 302
8 3. Конструкция фотошаблонов......................................307
8.4. Технология металлизированных фотошаблонов........................312
8.5. Технология цветных фотошаблонов..................................322
8.6. Контроль параметров фотошаблонов. Основные виды дефектов ФШ
и их определение .................................................. 328
8.7. Ретушь и корректировка топологии фотошаблонов....................334
Глава 9. Литографические процессы в технологии микроэлектронных
устройств ..................................................... 336
9.1. Сущность фотолитографии и основные процессы......................336
9.2. Реперные знаки в фотошаблонах....................................345
9.3. Удаление резистивной маски маскирующей пленки ФР .... 350
9.4. Методы переноса изображений......................................355
9.5. Электронно-лучевая литография....................................369
9.6. Рентгеновская литография.........................................383
9.7. Ионно-лучевая и голографическая литографии.......................391
9.8. Процессы травления в литографии..................................397
Глава 10. Сборка микроэлектронных устройств........................* 419
10.1. Монтаж кристаллов у плат микросхем в МЭУ........................419
10.2. Микросварка при монтаже выводов МЭУ.............................431
10.3. Рабочий инструмент для микросварки..............................441
10.4. Технология микросварки .........................................448
10.5. Контроль качества микросварных соединений проводник—пленка 453
10.6. Припои и технология микропайки при сборке МЭУ...................461
10.7. Электропроводящие клеи..........................................465
10.8. Беспроволочный монтаж ..........................................470
Глава 11. Герметизация микроэлектронных устройств 475
11.1. Конструктивно-технологические разновидности герметизации . , 475
11.2. Корпусная герметизация на основе неорганических материалов . 476
11.3. Герметизация корпусов контактной сваркой ...................... 479
11.4. Герметизация сваркой давлением..................................487
11.5. Герметизация сваркой плавлением.................................490
11.6. Герметизация корпусов пайкой....................................499
11.7. Герметизация на основе органических материалов..................504
11.8 Соединения выводов МЭУ на печатном монтаже.......................518
Список литературы .................................................. 526