ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ	КНИГА
МАТЕРИАЛЫ
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для профессионально-технических
училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1989

ББК31.233
Т38
УДК 621. 382
А.И. Курносов
Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Ю.С. Чернозубов (Мос¬
ковский институт электронного машиностроения); преп. М.Г. Кру¬
тикова (Московский техникум электронных приборов).
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб. пособие для ПТУ.
Кн. 2. Материалы / А.И. Курносов. — М.: Высш. шк.,
1989. — 96 с.: ил.
ISBN 5-06-000304-3
В книге описаны электротехнические свойства и строение ма¬
териалов, используемых при производстве полупроводниковых
приборов и изделий микроэлектроники. Рассмотрены полупро¬
водниковые материалы, приведены сведения о материалах, приме¬
няемых при их механической и химической обработке, фотолито¬
графии, диффузии, защите и герметизации р-л-переходов, а также
для изготовления конструктивных элементов корпусов.
т 2302030700 (4307000000) - 286 5?	ББК	31.233
052(01)—89	6Ф0.32
ISBN 5-06-000304-3
© Издательство "Высшая школа”, 1989

ВВЕДЕНИЕ
Основными направлениями экономического и социального
развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года
предусматривается решительный поворот Экономики на путь
интенсивного развития, что потребует коренного обновления
производства на основе передовой техники и технологии. При
этом первостепенное значение придается электронизации и
комплексной автоматизации производства, широкому исполь¬
зованию средств вычислительной техники, внедрению станков с
числовым программным управлением, промышленных роботов,
гибких производственных систем.
В связи с этим поставлены задачи дальнейшего развития и
совершенствования полупроводниковых приборов и изделий
микроэлектроники, являющихся современной элементной базой
автоматических и вычислительных систем. Увеличение выпуска
и повышение надежности изделий электронной техники зависят
не только от технологических методов их изготовления и куль¬
туры производства, но и от правильного выбора материалов,
элекрофизические свойства которых во многих случаях опреде¬
ляют параметры полупроводниковых приборов и интеграль¬
ных микросхем (ИМС), оказывают влияние на стабильность их
работы в различных режимах.
В технологическом процессе изготовления полупроводни¬
ковых приборов и ИМС широко используют как известные мате¬
риалы (полупроводники, металлы, сплавы, различные химичес¬
кие реактивы), так и новые, специально разработанные для
полупроводниковой технологии (фото-, электроно- и рентгено-
резисты, диффузанты, стекла), которые должны отвечать опре¬
деленным требованиям.
Основой полупроводниковых приборов и ИМС являются
пластины германия, кремния, а также соединений типа арсенида
галлия, фосфида индия и др. Полупроводниковые пластины
получают резкой монокристаллических слитков алмазосодержа¬
щими дисками, а затем шлифуют и полируют абразивными и
алмазными микропорошками на шлифовальниках и полиро¬
вальниках. После механической обработки полупроводниковые
пластины подвергают травлению в специальных травильных
смесях, основными компонентами которых являются кислоты,
щелочи, соли. Химическая обработка пластин заканчивается от¬
мывкой их в особо чистой воде.
В планарной технологии изготовления изделий микроэлект¬
роники используют защитные диэлектрические пленки диоксида
и нитрида кремния, оксида алюминия.
3

Специфическими материалами являются фото-, электроно-
и рентгенорезисты, позволяющие получать на поверхности
полупроводниковых пластин рельефы рисунков будущих прибо¬
ров и ИМС с размерами элементов менее 1 мкм.
Для создания в исходных пластинах полупроводника облас¬
тей различной электропроводности проводят диффузию леги¬
рующих примесей, в качестве которых используют твердые,
жидкие и газообразные диффузанты.
Различные электродные материалы (металлы и сплавы)
позволяют изготовлять омические контакты к активным и пас¬
сивным областям ИМС, а также токоведущие дорожки.
Одной из основных технологических операций является
защита активных и пассивных областей ИМС от внешних воздей¬
ствий, при которой применяют такие материалы, как пленки
оксида и нитрида кремния, стекла, лаки, эмали. Для защиты
готовых кристаллов полупроводниковых приборов и ИМС от
возможных ударов, тряски, вибраций их герметизируют в стек¬
лянных, металл о стеклянных, керамических или пластмассовых
корпусах.
Необходимо отметить, что все материалы, поступающие на
производство, должны проходить тщательный входной контроль
на соответствие техническим условиям.

ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О	МАТЕРИАЛАХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ
Материалы, используемые при изготовлении полупроводниковых
приборов и изделий микроэлектроники, можно подразделить на четыре
группы: основные, технологические, конструкционные и вспомогательные.
К основным материалам относят полупроводни¬
ковые, являющиеся основой при изготовлении полупроводнико¬
вых приборов, интегральных микросхем, светоизлучающих при¬
боров, фотопреобразователей, солнечных батарей, твердотель¬
ных лазеров и многих других изделий микроэлектроники.
Технологические материа л*ы различного назна¬
чения применяют в технологических процессах производства
микроэлектронных изделий. К ним относятся: абразивные мате¬
риалы для механической обработки исходных полупроводнико¬
вых слитков и пластин; химические материалы (растворители
и травители) для обезжиривания и травления полупроводнико¬
вых пластик, а также химические реагенты для создания на их
поверхности различных защитных диэлектрических покрытий
(пленок Si02, Si3N4, А120з); материалы, позволяющие форми¬
ровать на поверхности пластин рельефный рисунок требуемой
геометрической формы (фоторезисты, рентгено- и электроноре-
зисты); диффузанты — вещества, необходимые для создания
определенных областей в полупроводниковых пластинах при
проведении технологических процессов диффузии; легирующие
материалы (акцепторные и донорные), применяемые для
изменения электрофизических свойств электродных сплавов;
защитные материалы (лаки, эмали, компаунды и др.), использу¬
емые для изоляции активных и пассивных элементов ИМС от
воздействий окружающей среды..
Конструкционные материалы в основном
используют для изготовления корпусов полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем, К ним относятся металлы,
сплавы, стекла, керамика, пластмассы и клеи.
Вспомогательные материалы предназначены
в первую очередь для обеспечения необходимых условий (газо¬
вых сред) при проведении многих технологических операций
производственного процесса (диффузии, окисления, создания
омических контактов, сушки, сборки, пайки, герметизации
и др.). К вспомогательным относят также материалы для изго-
5

товления приспособлений и оснастки (кассет, лодочек, тиглей,
подставок, травильных устройств и др.). Кроме того, на многих
технологических операциях важную роль играет особо чистая
вода. Для придания готовым изделиям товарного вида исполь¬
зуются различные краски.
§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлами называют вещества, обладающие высокими теплопровод¬
ностью, электропроводностью, ковкостью, пластичностью и прочностью, а
также характерным блеском.
Свойства металлов обусловлены строением их кристалличес¬
кой решетки. Большинство металлов имеют гранецентриро-
ванную, объемно центрированную кубическую или плотноупа-
кованную гексагональную решетку.
В металлах валентные электроны не локализуются в атомах,
а обобществляются и свободно перемещаются внутри кристалли¬
ческой решетки, образуя так называемый ’’электронный газ”.
Атомы, отдав электроны, превращаются в положительно заря¬
женные ионы, которые удерживаются в узлах кристаллической
решетки электростатическим взаимодействием с электронами.
Таким образом, металлическая связь в этих материалах
обусловлена взаимодействием свободных валентных электронов
с положительно заряженными ионами.
Металлы подразделяют на черные (железо) и цветные (алю¬
миний, магний, медь, цинк и др.)> которые, в свою очередь,
делят на легкие, тяжелые, тугоплавкие, благородные, рассеян¬
ные, редкоземельные, радиоактивные и трансурановые.
Металлическим сплавом называют однофазные или многофазные
смеси различных металлов.
Фазы, образующиеся при сплавлении двух или нескольких
металлов, представляют собой либо твердые растворы, либо
промежуточные интерметаллические соединения. При образова¬
нии твердого раствора сохраняется кристаллическая решетка
металла-растворителя. Многие металлы, имеющие одинаковые
типы кристаллической решетки, смешиваются друг с другом в
любых пропорциях, образуя непрерывный ряд твердых раство¬
ров. Однако есть металлы, которые ограниченно взаимно раство¬
ряются друг в друге или вообще не растворяются в твердой
фазе. Получение сплава сопряжено с возникновением в его
кристаллической структуре различных дефектов вследствие
разнородности исходных материалов, их физико-химических
свойств и способа получения.
6

Существуют три структурных типа твердых растворов:
замещения, внедрения и вычитания. В твердых растворах заме¬
щения атомы растворенного металла замещают в узлах кристал¬
лической решетки атомы металла-растворителя, распределяясь
среди них по определенному закону. В твердых растворах внед¬
рения атомы растворенного металла не замещают атомы металла
растворителя, а располагаются в межатомных промежутках его
кристаллической решетки. Твердые растворы внедрения обычно
образуются при растворении металлов с малыми атомными
радиусами. Твердый раствор вычитания образуется при недостат¬
ке одного из компонентов сплава.
Поскольку атомы растворителя и растворенного металла
(элемента) имеют отличные друг от друга радиусы, кристалли¬
ческие решетки твердого раствора замещения искажаются. Еще
более значительные искажения кристаллических решеток сплава
возникают при образовании твердых растворов внедрения и вы¬
читания. В этих случаях нельзя говорить о каком-то определен¬
ном периоде кристаллической решетки твердого раствора, а
лишь о среднем его значении. Так, при образовании твердых
растворов замещения (рис. 1 ,а-г) растворение элементов с
меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя
(гА > гБ), вызывает уменьшение периода кристаллической ре¬
шетки (dc <dA). При растворении элементов с большим радиу¬
сом (гА < гБ) период решетки возрастает (dc > dA).
Рис. 1. Искажение строения твердого раствора замещения при атомных
радиусах растворителя больше (а, б) и меньше (в, г) атомных радиу¬
сов растворенных элементов

§ 3. ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ СВОЙСТВА
Полупроводниками называют вещества, электропроводность кото¬
рых лежит в промежутке между электропроводностью металлов и диэ¬
лектриков.
Это определение удобно в качестве исходного, но полностью
не отражает все особенности, присущие полупроводниковым
материалам. В качестве дополнения к определению следует
отметить две особенности полупроводников. Во-первых, при
повышении температуры электропроводность полупроводников
возрастает и, во-вторых, она значительно зависит от присутствия
в них различных примесей и структурных дефектов, нарушаю¬
щих периодичность кристаллической решетки.
При введении примесей в полупроводник изменяется не
только его электропроводность, но и ее температурная зависи¬
мость. Совершенство кристаллической структуры полупровод¬
ников является основным критерием их применимости для
изготовления изделий микроэлектроники.
В зависимости от чистоты материала полупроводники де¬
лятся на собственные и примесные.
В собственных полупроводниках примеси
отсутствуют. Однако получить беспримесный полупроводник
достаточно трудно. Поэтому под собственным понимают полу¬
проводник, в котором влиянием остаточных примесей при
определенной температуре можно пренебречь. Собственный
полупроводник при температуре абсолютного нуля (—273 °С)
не обладает электропроводностью, так как все его валентные
электроны не являются свободными, т.е. в этом случае собст¬
венный полупроводник ведет себя как диэлектрик. При темпе¬
ратурах, отличных от абсолютного нуля, возможен отрыв элект¬
рона от атома за счет разрыва какой-либо ковалентной связи
(например, при тепловом воздействии на полупроводниковый
материал). В результате этого в собственном полупроводнике
образуются свободный электрон и незаполненная связь (дыр¬
ка). Причем количество образовавшихся электронов равно
количеству образовавшихся дырок.
В примесных полупроводниках электрофизи¬
ческие свойства определяются типом и количеством введенной
примеси. В зависимости от типа введенной примеси различают
полупроводники электронного — гь типа и дырочного —
p-типа электропроводности. Примеси, которые приводят к обра¬
зованию дополнительных электронов или дырок, соответственно
называют донорами и акцепторами (рис. 2, а, б).
8

Рис. 2. Структура примесных по¬
лупроводников:
а — кремния, легированного фос¬
фором, б - кремния, легирован¬
ного бором
Рис. 3. Зависимости концентра¬
ции носителей заряда полупро¬
водников с различной концент¬
рацией донорной примеси от
температуры:
1-2 и 2-3 - примесного, 3, 6 -
собственного, 5-4 - вырожден¬
ного
Полупроводник с такой высокой концентрацией введенной
примеси, при которой образовавшаяся примесная зона перекры¬
вается с зоной проводимости, называют вырожденным. Темпера¬
турная зависимость вырожденного полупроводника в диапазоне
примесной электропроводности постоянна. Так как вырожден¬
ный полупроводник обладает высокой электропроводностью,
его иногда называют полуметаллом. Зависимость концентрации
N носителей заряда в полупроводниках различных типов от
температуры Т приведена на рис. 3.
При повышении температуры от 7^ до Т2 происходит обра¬
зование свободных электронов за счет атомов примеси (донор-
ных) и концентрация свободных носителей заряда растет (отре¬
зок 1—2). При дальнейшем повышении температуры от Т2 до Т3
наблюдается постоянство носителей заряда (отрезок 2—3), так
как все электроны атомов примеси, не связанные с атомами
полупроводника ковалентными связями, оказываются свобод¬
ными, а электроны собственного полупроводника еще связаны
со своими атомами. При температуре выше Т3 начинают появ¬
ляться свободные электроны собственного полупроводника за
счет разрыва ковалентных связей между атомами (отрезок
3-6). При больших концентрациях донорной примеси полупро¬
водник становится вырожденным и его температурная зависи¬
мость выражается ломаной линией, состоящей из двух отрезков
9

5—4 и 4—6. Отрезок 5—4 характеризует постоянное количество
носителей заряда, которое с ростом температуры не изменя¬
ется, а отрезок 4-6 — их увеличение за счет разрыва ковалент¬
ных связей собственного полупроводника.
Одним из характерных свойств является фотопроводи¬
мость полупроводников — изменение их электропроводности
при освещении светом. Причем в зависимости от природы облу¬
чаемого полупроводникового материала длина волны падаю¬
щего света может меняться от ультрафиолетовой до инфракрас¬
ной области. Фотопроводимость полупроводников зависит от
интенсивности и длины волны падающего света. Другим инте¬
ресным свойством полупроводников является возникновение
в них под действием разности температур разности потенциалов,
которую называют термоэлектродвижущей силой.
При неравномерном нагреве однородного по распределе¬
нию примесей кристалла полупроводника возникает разность
концентрации носителей заряда, которая приводит к появлению
их диффузионного потока из нагретой области в более холод¬
ную, т.е. возникновению термо-эдс. При прохождении электри¬
ческого тока через образец полупроводника в определенном на¬
правлении и одновременном воздействии на него магнитного
поля, направленного перпендикулярно току, на боковых гранях
образца возникает разность потенциалов, которая получила
название эдс Холла {эффект Холла).
Кроме того, свойства полупроводников характеризуются
такими параметрами, как подвижность, время жизни и диффу¬
зионная длина носителей заряда.
Подвижность носителей заряда - это отношение,их средней
скорости направленного движения к напряженности электричес¬
кого поля. Действительно, под действием электрического поля
носители заряда приобретают некоторую скорость направленно¬
го движения (дрейфа) и создают электрический ток. В полупро¬
водниках гъ и p-типов различают подвижность электронов и
подвижность дырок.
Время жизни носителей заряда - это время, в течение кото¬
рого их избыточная концентрация уменьшается в е раз (е — ос¬
нование натурального логарифма). Фактически это время суще¬
ствования носителя заряда от момента его возникновения (гене¬
рации) до момента исчезновения (рекомбинации). Время жизни
носителей заряда максимально в собственном полупроводнике
и уменьшается в примесном, особенно если он имеет большое
количество дефектов кристаллической структуры. С повыше¬
нием температуры время жизни возрастает, так как в этом
случае затрудняется захват носителей заряда дефектами.
10

Диффузионная длина — это расстояние, на котором в полу¬
проводнике при отсутствии электрического и магнитного полей
избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз.
Другими словами, это расстояние, на которое носитель заряда
продвинется за счет диффузии за время своей жизни. Чем
меньше примесей и дефектов в кристаллической решетке исход¬
ного полупроводника, тем больше время жизни и диффузионная
длина носителей заряда.
§ 4. ДИЭЛЕКТРИКИ И ИХ СВОЙСТВА
Диэлектриками называют вещества, которые практически не прово¬
дят электрический ток. Диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газо¬
образными.
Рассмотрим основные физические процессы, протекающие
в твердых диэлекриках, так как они наиболее широко использу¬
ются в микроэлектронике.
Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле,
в нем происходит процесс поляризации, характеризующийся
возникновением электрического дипольного момента каждого
элементарного объема диэлектрика. Диэлектрики, в которых
поляризация возникает без влияния внешнего электрического
поля - самопроизвольно (спонтанно), называют сегнетоэлектри-
коми. Поляризация может происходить также при приложении
к диэлектрику механического напряжения. Процессы поляриза¬
ции диэлектриков характеризуются диэлектрической проница¬
емостью и диэлектрической восприимчивостью.
Диэлектрическая проницаемость определяется отношением
емкости конденсатора, в котором в качестве изолятора исполь¬
зован исследуемый диэлектрик, к емкости такого же конденса¬
тора, изолятором в котором является вакуум.
Диэлектрическая восприимчивость показывает способность
диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
Важной характеристикой диэлектриков является поверхно¬
стная электропроводность. Физические процессы, протекающие
на поверхности диэлектрика, связаны с образованием адсорби¬
рованных слоев влаги и газов. Для обнаружения заметной по¬
верхностной электропроводности достаточно, чтобы на поверх¬
ности диэлектрика был тонкий слой влаги. Кроме того, поверх¬
ностная электропроводность диэлектриков существенно зави¬
сит от количества и характера загрязнений, дефектов поверхно¬
сти, а также от относительной влажности среды, в которой
проводят измерения. Для снижения поверхностной электропро¬
водности диэлектриков необходимо тщательно обрабатывать их
поверхность и очищать ее от загрязнений.
11

При постоянном воздействии электрического поля в ди¬
электрике выделяется определенное количество теплоты, т.е.
происходят потери электрической мощности, называемые
диэлектрическими потерями и характеризуемые углом диэлек¬
трических потерь или его тангенсом. Угол, дополняющий до 90°
угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи,
называют углом диэлектрических потерь. В идеальном диэлек¬
трике угол диэлектрических потерь равен нулю, а в реальных
отличен от нуля. Чем больше мощность, рассеиваемая в диэлект¬
рике., тем меньше угол сдвига фаз и тем больше угол диэлектри¬
ческих потерь.
Под действием больших электрических полей происходит
пробой диэлектрика. Дело в том, что, находясь в электрическом
поле, диэлектрик может потерять изоляционные свойства, когда
напряженность этого поля превышает некоторое критическое
значение для данного конкретного диэлектрика. Минимальное
напряжете, которое приводит к пробою диэлектрика, назьюают
пробивным. Пробивное напряжение характеризует способность
диэлектрического материала противостоять электрическому
полю.
§ 5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
Под действием внешних магнитных полей некоторые мате¬
риалы приобретают магнитные моменты. Магнитный момент,
отнесенный к единице объема материала, называют намагничен¬
ностью. Намагниченность связана с напряженностью магнитного
поля коэффициентом, называемым магнитной восприимчивое-
тью. В зависимости от воздействия магнитного поля все матери¬
алы можно разделить на пять групп: диамагнетики, парамагне¬
тики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетики — это вещества, магнитная восприим¬
чивость которых отрицательна и не зависит от напряженности
внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся некото¬
рые металлы (медь, серебро, золото, цинк и др.), полупроводни¬
ки (германий, кремний, соединения типа АШВ^, AnBVI) и боль¬
шинство органических соединений.
Парамагнетики — это вещества, обладающие положи¬
тельной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напря¬
женности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам отно¬
сятся щелочные, щелочно-земельные и некоторые переходные
металлы, соли железа,, кобальта, никеля и редкоземельных
элементов.
Ферромагнетики — это вещества, обладающие боль¬
шой положительной магнитной восприимчивостью, которая зна-
12

чительно зависит от напряженности внешнего магнитного поля
и температуры. Важнейшей особенностью ферромагнетиков
является их способность намагничиваться в слабых магнитных
полях. К ферромагнетикам относятся вещества сложного соста¬
ва на основе оксидов железа и двухвалентных (или одновалент¬
ных — реже) металлов.
Антиферромагнетики — это вещества с небольшой
положительной магнитной восприимчивостью, которая значи¬
тельно зависит от температуры. При нагревании антиферромагне¬
тики переходят в парамагнитное состояние. Такими материала¬
ми являются хром, марганец, редкоземельные элементы.
Ферримагнетики — это вещества, обладающие высо¬
кой магнитной восприимчивостью, существенно зависящей от
магнитного поля и температуры. Магнитные свойства ферримаг-
нетиков обусловлены нескомпенсированным антиферромагне¬
тизмом. Такими материалами являются оксидные соединения —
ферриты.
Монокристаллические ферромагнитные материалы обладают
неодинаковыми магнитными свойствами в различных кристал¬
лографических направлениях — магнитной анизотропией. Суще¬
ствуют направления слабого и сильного намагничивания.
Магнитные свойства материалов характеризуются магнитной
проницаемостью — отношением магнитной индукции к произве¬
дению напряженности магнитного поля на магнитную постоян¬
ную. Магнитная проницаемость диамагнетиков несколько мень¬
ше единицы, парамагнетиков — чуть больше единицы, а ферро¬
магнетиков — значительно больше единицы.
Важным свойством магнитных материалов является магни-
тострикция — изменение геометрических (линейных) размеров
образца, например ферромагнетика, при изменении магнитного
поля. Магнитострикция оценивается относительной деформацией
образца в направлении действия магнитного поля.
Большое влияние на магнитные свойства материалов оказы¬
вает температура. Так, при нагреве ферромагнетиков уменьша¬
ется их спонтанная намагниченность, магнитная проницаемость
сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается
и, кроме того, ослабевает эффект магиитострикции и магнитной
кристаллографической анизотропии.
§ 6. ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природ¬
ных или синтетических смол (полимеров) и способные под действием на¬
грева и давления формоваться в изделия нужной формы, а затем устой¬
чиво сохранять ее.
13

Пластмассы состоят из основы (связующего вещества),
наполнителя, отвердителя, пластификатора и смазывающих до¬
бавок. В качестве связующего вещества используют различные
эпоксидные, кремнийорганические и полиэфирные смолы.
Наполнитель обеспечивает требуемые механические свойства
пластмасс и представляет собой порошок из стекла, талька, ас¬
беста, графита или других материалов. Отвердитель является
важной составной частью пластмасс, так как обеспечивает пере¬
ход смол из жидкого тягучего состояния в твердое. В качестве
отвердителей используют диэтилентриамин, гексаметилендиамин
и др. Пластификатор повышает эластичность пластмасс. В каче¬
стве пластификаторов используют эфиры многоатомных спир¬
тов, олеиновую кислоту, стеарин и дибутилфталат. Смазываю¬
щие добавки (воск, парафин) позволяют избежать прилипания
пластмассы к стенкам литьевой формы.
По виду связующего материала пластмассы делятся на тер¬
мопластичные и термореактивные.
Термопластичные пластмассы под действием темпе¬
ратуры могут переходить из жидкого состояния в твердое (при
охлаждении) и из твердого состояния в жидкое (при повторном
нагреве), т.е. являются термообратимыми.
Термореактивные пластмассгы под действием
температуры переходят из жидкого состояния в твердое (при
охлаждении), но при повторном нагреве не переходят из твердо¬
го состояния в жидкое, т.е. являются термонеобратимыми.
Свойства пластмасс зависят от состава и количественного
соотношения компонентов. Особенностями пластмасс являются:
малая плотность (1-2 г/см3); низкая теплопроводность; темпе¬
ратурный коэффициент линейного расширения в пределах от
5 • 10“6 до 1(Г4 1/ °С; хорошие электроизоляционные свойства
(диэлектрическая проницаемость равна 1—10, удельное сопро¬
тивление — 1012—101S Ом • см, диэлектрические потери не пре¬
вышают 0,1, а электрическая прочность составляет 10—
70 кВ/мм); высокие коррозионная и химическая стойкость;
хорошие механические, а также технологические свойства (воз¬
можность формования, прессования и заливки).
По назначению все пластмассы можно условно разделить на
следующие группы: конструкционные, обладающие высокими
механическими свойствами; электроизоляционные, имеющие
хорошие диэлектрические свойства; влаго- и химически стой¬
кие, способные сохранять свои свойства при длительной хими¬
ческой обработке и в условиях повышенной влажности; ударо¬
прочные; жаропрочные; радиационностойкие; тепло- и звуко¬
изоляционные; тропикоустойчивые; вибростойкие, светотехни¬
ческие и оптические.
14

§ 7. СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ СВОЙСТВА
Светочувствительными являются материалы, которые под действием
света и последующего проявления образуют на поверхности пластины
изображение определенного рисунка. Различают два класса светочувстви¬
тельных материалов: фотографические эмульсии и фоторезисты.
Фотографические эмульсии являются основ¬
ными материалами для проведения различных фотографических
процессов, бывают позитивными и негативными и представляют
собой водные растворы желатины с равномерным распределе¬
нием галогенидов серебра и небольшого количества пластифика¬
торов, дубителей и красителей.
Фоторезисты являются основными материалами в
производстве изделий микроэлектроники и представляют собой
сложные полимерно-мономерные вещества, в которых под дей¬
ствием света определенной длины волны (определенного спект¬
рального состава) протекают фотохимические реакции, приводя¬
щие к изменению растворимости. Другими словами, фоторезис¬
ты, с одной стороны, являются светочувствительными материа¬
лами, предназначенными для создания на поверхности пластины
рельефа рисунка, а с другой — обладают резистивными (защит¬
ными) свойствами, позволяющими выдерживать им травление
в кислотах, щелочах и других агрессивных средах.
Фоторезисты, как и фотоэмульсии, бьюают негативными и
позитивными. Негативные фоторезисты под действием света об¬
разуют нерастворимые участки пленки на поверхности пластин в
результате процесса фотополимеризации; необлученные участки
пленки при проявлении легко удаляются. Рисунок (рельеф) фо¬
торезиста, оставшегося на поверхности пластины, представляет
собой негативное изображение, повторяющее оригинал. Позитив¬
ные фоторезисты, наоборот, под действием света образуют в
результате процесса фотораспада растворимые участки, которые
при проявлении удаляются; необлученные участки остаются на
пластине, создавая изображение, повторяющее оригинал.
Основными свойствами светочувствительных материалов
являются: адгезионная и разрешающая способности и светочув¬
ствительность.
Адгезионной способностью определяется стойкость пленки
светочувствительного материала к воздействию внешних факто¬
ров. Определяющей предпосылкой для получения высокой адге¬
зионной способности является хорошая смачиваемость поверх¬
ности пластины светочувствительным составом, ее чистота, а
также режимы формирования светочувствительного слоя.
15

Адгезия* пленки фоторезиста к поверхности подложки
значительно ухудшается, если поверхность пластины плохо об¬
работана. Так, при наличии жировых пятен, адсорбированных
газов, ионов чужеродных примесей на поверхности пластин
появляются участки с плохой адгезией фоторезиста. Микро¬
риски и микроуглубления также снижают адгезию, так как воз¬
дух плохо удаляется из этих структурных дефектов поверхно¬
сти. Кроме того, адгезия зависит от методов и режимов нанесе¬
ния фоторезиста.
Разрешающая способность светочувствительного материа¬
ла определяется числом линий одинаковой толщины /, разде¬
ленных промежутками такой же толщины, которые могут быть
получены на 1 мм поверхности пластины без слияния.
Под светочувствительностью понимают способность мате¬
риала под действием света определенной длины волны или
совокупности длин волн изменять свои первоначальные свой¬
ства.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Как классифицируют материалы электронной техники?
2.	Каковы свойства металлов и сплавов?
3.	Какими свойствами характеризуются полупроводники?
4.	Чем диэлектрики отличаются от полупроводников и металлов?
5.	Какие магнитные свойства материалов вы знаете?
6.	В чем отличие термопластичных пластмасс от термореактивных?
7.	Какими свойствами должны обладать светочувствительные мате¬
риалы?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 8. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Полупроводниковые материалы, применяемые для изготов¬
ления различных изделий микроэлектроники, должны отвечать
ряду требований. Пригодность того или иного полупроводнико¬
вого материала определяется его кристаллической структурой,
шириной запрещенной зоны, положением примесных уровней
♦Адгезия — прилипание (слипание) разнородных твердых или жид¬
ких тел (фаз) друг к другу, обусловленное межмолекулярным взаимо¬
действием.
16

и однородностью распределения примесей по объему. Оптичес¬
кими, термическими, термоэлектрическими и электрическими
свойствами полупроводниковых материалов определяются
эксплуатационные характеристики Готовых изделий. Особые
требования предъявляют к таким свойствам полупроводнико¬
вых материалов, как тип электропроводности, концентрация
введенной примеси, подвижность и время жизни носителей
заряда.
Требование однородности легирования примесями всего
объема полупроводникового материала вытекает из необходи¬
мости обеспечить одинаковые электрические параметры всей
партии приборов и ИМС, изготовленных на пластинах из одного
слитка исходного материала. Требование температуростойкости
диктуется максимальными и минимальными рабочими темпера¬
турами, при которых должны работать приборы или ИМС. Верх¬
ний предел рабочих температур полупроводниковых приборов
зависит от ширины запрещенной зоны материала: чем она боль¬
ше, тем больше верхний предел. Так, температуростойкость гер¬
маниевых приборов 80—100 °С, кремниевых 180-200 °С, из
арсенида галлия 350 °С, фосфида галлия 500 °С, карбида крем¬
ния до 700 °С. Нижний предел рабочих температур полупровод¬
никовых приборов определяется энергией ионизации легирующих
примесей, которая при температурах до —60° С должна быть
значительной.
Для изготовления высокочастотных приборов и ИМС необхо¬
дим материал с высокой подвижностью носителей заряда, а им¬
пульсных приборов — с малым временем жизни.
При выборе полупроводникового материала для фотоприбо¬
ров руководствуются его спектральной чувствительностью. Ос¬
новным параметром материалов для изготовления светоизлу¬
чающих приборов является длина волны излучения.
§ 9. КЛАССИФИКАЦИЯ
Полупроводниковые материалы по химическому составу
можно разделить на простые и сложные.
Простыми полупроводниковыми материа¬
лами являются химические элементы: бор В, углерод С, гер¬
маний Ge, кремний Si, селен Se, сера S. В полупроводниковой
микроэлектронике в основном применяют германий и кремний,
а остальные используют в качестве легирующих добавок или
компонентов сложных соединений.
Сложными полупроводниковыми матери¬
алами являются химические соединения, обладающие полу¬
проводниковыми свойствами и включающие два, три и более

элементов. Например, арсенид галлия GaAs, теллурид висмута
Bi2 Те3, силицид цинка и фосфора ZnSiP2 • Полупроводниковые
соединения этой группы, состоящие из двух элементов и называ¬
емые бинарными, имеют, как это принято в неорганической хи¬
мии, наименования того компонента, металлические свойства
которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержа¬
щие мышьяк, называют арсенидами, серы — сульфидами, тел¬
лур — теллуридами, углерод — карбидами.
Сложные полупроводниковые материалы объединяют по но¬
меру группы Периодической системы элементов Д.И. Менделе¬
ева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обознача¬
ют буквами латинского алфавита (А — первый компонент,
В — второй, С — третий и т.д.) с цифровыми индексами (римские
цифры над буквами обозначают группу элементов в периодичес¬
кой системе, а арабские цифры под буквами — стехиометричес¬
кий коэффициент). Например, такое бинарное соединение, как
фосфид индия InP, имеет обозначения АШВУ, теллурид висмута
Bi2 Те3 — АУ ВУ1, силицид цинка и фосфора ZnSiP2 — А^В^, СУ.
Твердые растворы полупроводниковых материалов обозна¬
чают символами входящих в них элементов с индексами, кото¬
рые указывают атомную долю этих элементов в растворе. Напри¬
мер, твердый раствор германий—кремний (Ge—Si) обозначают в
общем виде Si^^Ge^, а твердый раствор арсенида и фосфида
индия (InAs—InP) — InAs^^P^, где х — атомная доля компонен¬
та твердого раствора, которая лежит в пределах 0 < jc < 1.
§ 10. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Воспроизводимость электрических параметров изделий мик¬
роэлектроники зависит от структурного совершенства исходно¬
го полупроводникового материала и степени его чистоты. Полу¬
чают материалы монокристаллической структуры с минималь¬
ным количеством посторонних примесей сложным технологичес¬
ким процессом.
Изготовление монокристаллического германия состоит из
следующих основных операций: получения тетрахлорида герма¬
ния и его очистки; гидролиза тетрахлорида германия и получе¬
ния из него даоксида германия; восстановления диоксида
германия водородом и получения поликристаллического слит¬
ка; очистки слитка от примесей зонной плавкой; выращивания
из расплавленного поликристаллического германия слитка
монокристаллического германия.
Технический кремний получают восстановлением диокси¬
да кремния электрической дугой, создаваемой между графито¬
выми электродами. Такой кремний содержит большое количе¬
ство примесей, поэтому его превращают в легколетучее соедине-
18

ние, которое после очистки восстанавливают до чистого поли¬
кристалл ического кремния. Поликристаллический кремний
очищают зонной плавкой, а затем из расплава выращивают
монокристаллические слитки.
Тигельный и бестигельный методы очистки полупроводни¬
ковых материалов зонной плавкой (рис. 4, а, б) основаны на не¬
одинаковой растворимости примесей, находящихся в жидкой
и твердой фазах. Поэтому при движении расплавленной зоны по
длине слитка 5 примеси оттесняются к его концу. Требуемую
степень чистоты полупроводникового материала получают мно¬
гократным прохождением расплавленной зоны через слиток.
Для ускорения процесса очистки обычно используют несколько
расплавленных зон, что эквивалентно нескольким циклам одно¬
зонной очистки.
Наиболее совершенные монокристаллические слитки герма¬
ния и кремния выращивают из расплава (рис. 5). Рабочим объе¬
мом служит герметичная водоохлаждаемая камера 1, в которой
Рис. 4. Схемы установки очистки полу¬
проводниковых материалов зонной
плавкой:
а - тигельной, б - бестигельной; 1 -
кварцевая труба, 2 - индуктор-нагрева¬
тель, 3 — лодочка-тигель, 4 — расплав¬
ленная зона полупроводника, 5 - слиток
Рис. 5. Схема установки для выращива¬
ния монокристаллов полупроводнико¬
вых материалов из расплава:
1	- рабочая камера, 2 - смотровое окно,
3 - нагреватель, 4 — экран, 5,11 — што¬
ки для вращения тигля и затравки, б,
7	— графитовый и кварцевый тигли,
8	- расплав полупроводника, 9 - слиток
монокристалла, 10 - затравка
19

располагают кварцевый тигель 7 с очищенной зонной плавкой
германием или кремнием, нагреватель 3 в виде корзинки, сис¬
тема экранов 4 и штоки 5 и 11 для вращения тигля и затравки.
При нагревании тигля образуется расплав, в который опускают
шток с затравкой 10, выдерживая ее до оплавления. После этого
начинается процесс выращивания монокристаллического слитка
9. Затравку начинают медленно поднимать из расплава 8. За
затравкой поднимается столбик расплава, который связан с ней
силами поверхностного натяжения. Так как температура над по¬
верхностью тигля ниже температуры расплава, столбик расплава
затвердевает, образуя одно целое с затравкой. Таким образом,
при вытягивании затравки на ее конце все время наращивается
новый слой твердого полупроводникового материала. Чтобы
обеспечить одинаковые условия роста слитка, в процессе его
выращивания тигель и затравку вращают с разными скоростя¬
ми в противоположных направлениях. Изменяя режим выращи¬
вания, можно изменять диаметр слитка от 20 до 200 мм.
Процесс выращивания из расплава монокристаллического
слитка может сопровождаться его легированием акцепторной
или донорной примесью (бор, фосфор, сурьма, мышьяк и др.),
которую в расчетных количествах вводят в расплав.
Полупроводниковые соединения типа AfflBv (арсенид гал¬
лия GaAs, фосфид галлия GaP, арсенид индия InAs, антимонид
индия InSb, антимонид галлия GaSb и др.) получают сплавлени¬
ем особо чистых исходных веществ. Монокристаллические слит¬
ки выращивают из расплава или получают направленной крис¬
таллизацией, бестигельной зонной плавкой.
Полупроводниковые соединения типа AnBVI (CdS, CdSe,
ZnS, ZnSe, ZnTe, CdTe и др.) получают непосредственным взаи¬
модействием при нагревании соответствующих веществ (S, Se,
Те) с металлом (Cd, Zn).
Полупроводниковые соединения типа А^ВУ1 (PbS, PbSe,
РЬТе и др.) получают синтезом соответствующих веществ, при¬
чем избыток свинца вызывает электронную электропровод¬
ность, а избыток халькогена - дырочную.
§ 11. ГЕРМАНИЙ
Существование и основные свойства германия еще в 1870 г.
предсказал Д.И. Менделеев, назвав его эка-силицием. Немецкий
химик К. Винклер в 1886 г. обнаружил в минеральном сырье
новый элемент и назвал его германием. Этот материал оказался
тождественным эка-силицию. Содержание германия в земной
коре невелико и составляет около 0,001 %. В малых количествах
германий содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе,
саже и морской воде. Единственная руда германия - германит —
20

содержит больше меди, цинка и железа, чем германия. Добыча
германия — сложный технологический процесс.
Германий Ge — элемент IV группы Периодической системы.
Атомная масса 72,58. Температура плавления 936 °С. Плотность
при комнатной температуре 5,35 г/смэ. При плавлении плот¬
ность германия скачкообразно увеличивается, примерно на
4,7 %, т.е. до 5,57 г/см3, что связано с изменением межатомного
расстояния при переходе материала из твердого состояния
в жидкое. В твердом состоянии германий — типичный ковалент¬
ный кристаллический материал, обладающий характерным блес¬
ком. Механическая обработка германия затруднена, а на обыч¬
ных токарных, сверлильных и фрезерных станках вообще невоз¬
можна из-за его хрупкости. Поэтому германий обрабатывают
алмазными и абразивными инструментами.
Кристаллический германий химически устойчив на воздухе
при комнатной температуре, а при температуре выше 600° С
окисляется до диоксида германия. В обычных условиях герма¬
ний не растворяется в воде, соляной и серной кислотах. Активно
растворяют германий смеси азотной и плавиковой, а также соля¬
ной и азотной кислот, раствор пероксида водорода и водные
растворы щелочей. Так как расплавленный германий не взаимо¬
действует с кварцем и графитом, в полупроводниковом произ¬
водстве при проведении различных термических операций широ¬
ко используют кварцевые и
графитовые тигли, лодочки,
кассеты и другие приспособ¬
ления.
Несмотря на сравнительно ма¬
лую токсичность, германий спо¬
собен вызывать хроническое от¬
равление при длительном воздей¬
ствии даже в малых дозах. Пре¬
дельно допустимая концентрация
германия в воздухе рабочих по¬
мещений не должна превышать
2	мг/м3.
В производстве полупро¬
водниковых приборов и мик¬
росхем используют германий
электронного и дырочного ти¬
пов электропроводности, обладающий удельным сопротивлени¬
ем от 0,0001 до 45 Ом • см. Промышленностью выпускается
германий различных марок, легированный галлием ГДГЗ-З,
сурьмой ГЭСЗ-0,16, золотом ГДЗ-0,6, мышьяком ГЭМ-0,005. В
21
Рис. 6. Зависимость удельного
сопротивления германия от кон¬
центрации акцепторных и донорных
примесей

маркировке германия буквы обозначают: Г — германий, Д и Э —
тип электропроводности (дырочный, электронный), 3, Г, С и
М — легирующую примесь (золото, галлий, сурьма, мышьяк).
Цифра, стоящая после буквы, указывает удельное электричес¬
кое сопротивление материала. Тип электропроводности и удель¬
ное сопротивление германия определяются количеством введен¬
ных акцепторных или донорных примесей (рис. 6).
§ 12. КРЕМНИЙ
Кремний - самый распространенный после кислорода эле¬
мент: он составляет более 25 % массы земной коры. Многочис¬
ленные соединения кремния входят в большинство горных
пород и минералов. Наиболее распространенным соединением
кремния является диоксид кремния Si02, который в природе
встречается в виде минерала кварца. В свободном состоянии
кремний в природе не встречается.
Кремний Si - элемент IV группы Периодической системы
был открыт в 1811 г., т.е. намного раньше германия. Однако в
полупроводниковой электронике кремний нашел широкое
применение лишь за последние 40 лет. Атомная масса кремния
28,08. Температура плавления 1420 °С. Плотность твердого
кремния при 20 °С равна 2,32 г/см3, а жидкого — 2,53 г/см3.
Кремний имеет структуру алмаза с меньшим, чем у германия,
периодом кристаллической решетки, что обусловливает более
сильную ковалентную связь и большую ширину запрещенной
зоны. При комнатной температуре кремний нерастворим в воде
и не реагирует со многими кислотами, устойчив на воздухе, а
при нагревании до 900-1200 °С интенсивно окисляется с образо¬
ванием диоксида кремния. Расплавленный кремний обладает
высокой химической активностью, поэтому подбор материалов
для изготовления тиглей, лодочек, кассет для проведения терми¬
ческих процессов — трудная задача. Такие материалы, как кварц
и графит, при высоких температурах взаимодействуют с кремни¬
ем. При нагревании до 200-700 С кремний реагирует с галоге¬
нами, образуя галогениды кремния (например, SiF4, SiGU,
SiBr4, SU4), а при 1100°С способен непосредственно соединять¬
ся с азотом и углеродом, образуя соответственно нитрид Si3N4
и карбид SiC кремния.
Для химической обработки кремния наиболее часто исполь¬
зуют смеси азотной и плавиковой кислот, а также водные раст¬
воры щелочей (КОН, NaOH). При работе с кремнием необходимо
помнить, что его частицы, попадая в дыхательные органы чело¬
века, могут вызвать заболевание легких (силикоз).
22

Промышленностью вы¬
пускается кремний различных
марок. Поликристаллический
кремний КП, имеет удельное
сопротивление от 10 до
130 Ом • см и изготовляется в
виде стержней разных диа¬
метров. Из поликристалли-
ческого кремния получают
монокристаллический крем¬
ний. Высокоомный кремний
КМД-1 - КМД-6 (К - крем¬
ний, М - моносилановый, Д —
дырочного типа электропро¬
водности) выпускается шести
групп в зависимости от удель¬
ного сопротивления (1000,
2000, 3000, 4000, 5000 и
6000 Ом • см) и имеет время жизни неосновных носителей
заряда от 400 до 600 мкс, а плотность дислокаций — 104 см~2.
Монокристаллический кремний общего назначения КЭФ и К ДБ
(К — кремний, Э и Д — электронного и дырочного типов элект¬
ропроводности, Ф, Б, С и 3 — легированный фосфором, бором,
сурьмой и золотом) выпускается пятнадцати групп (табл. 1).
Монокристаллический кремний для эпитаксиальных струк¬
тур выпускается десяти групп (табл. 2).
Тип электропроводности и удельное сопротивление кремния
определяются количеством введенных в исходный материал
акцепторных или донорных примесей (рис. 7).
Таблица 1. Свойства монокристаллнческого кремния
Марка
Удельное
сопротивле¬
ние, Ом • см
Тип
электро¬
провод¬
ности
Легирую¬
щая при¬
месь
Разброс
удельного
сопротив¬
ления, %
Групп
КЭФ
1-15
п
Фосфор
15
1 А
КДБ
1-20
Р
Бор
20
1 Б
КЭФ
15-25
п
Фосфор
20
2 А
КДБ
25-40
р
Бор
25
2 Б
КЭФ
40-75
п
Фосфор
25
2 В
КЭФ
50-140
п
»
30
2 Г
КЭФ
100-250
п
30
2 Д
КДБ
500-2000
р
Бор
35
2 £
23
Рис. 7. Зависимость удельного
сопротивления кремния от концент¬
рации акцепторных и донорных
примесей

Продолжение табл. 1
Марка
Удельное
сопротивле¬
ние, Ом • см
Тип
электро¬
провод¬
ности
Легирую¬
щая при¬
месь
Разброс
удельного
сопротив¬
ления, %
Групп;
КЭФ
0,005 — 1,0
п
Фосфор
35
ЗА
КДБ
0,005-1,0
Р
Бор
7
ЗБ
КЭС
0,008-1,0
п
Сурьма
25
3 В
КЭС
0,005-1,0
п
»
25
4 А
КЭФЗ
3-18
п
Фосфор
Золото
30
5 А
КЭФЗ
20-40
п
•»
30
5 Б
КЭФЗ
40-120
п
»
40
5 В
Таблица 2. Свойства монокристалл ического кремния
для эпитаксиальных структур
Ма]рка
Группа
Под¬
группа
Удельное
сопротив¬
ление,
Ом • см
Разброс
удельного
сопротивле¬
ния, %
Диамет]
слитка,
мм
ЭКДБ
1
а
0,005-20
35
62,5
б
78,5
в
102,5
2
а
0,005-20
25
62,5
б
78,5
в
102,5
3
а
20-40
35
62,5
б
78,5
в
102,5
4
а
20-40
25
62,5
б
78,5
в
102,5
ЭКЭС
5
а
0,01-1,0
35
62,5
б
78,5
в
102,5
ЭКЭФ
6
а
0,1-20
40
62,5
б
78,5
в
102,5
7
а
0,1-20
30
62,5
б
78,5
в
102,5
8
а
0,1-20
20
62,5
б
78,5
в
102,5
9
а
20-40
40
62,5
б
78,5
в
102,5
10
а
20-40
30
62,5
б
78,5
в
102,5
24

§ 13. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Соединения типа АшBv образуются в результате
взаимодействия элементов III группы (бора, алюминия, галлия,
индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком,
сурьмой). Большинство соединений A^BV имеют структуру
цинковой обманки кубического типа (сфалерит), в кристалли¬
ческой решетке которой каждый атом элемента III группы нахо¬
дится в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента V
группы и наоборот. Атомы элементов II группы способны заме¬
щать атомы элементов третьей группы в соединении AmBv и
проявлять акцепторные свойства, а атомы элементов VI груп¬
пы — атомы элементов V группы и проявлять донорные свой¬
ства. Наиболее часто в качестве акцепторных элементов ис¬
пользуют цинк и кадмий, а в качестве донорных — селен и
теллур. Основные свойства соединений типа AU*BV приведены в
табл. 3.
III v
Таблица 3. Свойства соединений типа А В
Свойство
Соединение
GaN GaAs GaP InP InAs GaSb InSb
Постоянная ре¬
шетки, нм	0,31	0,56	0,55	0,59	0,61	0,61
Плотность, г/см3	6,11	5,32	4,07	4,78	5,67	5,65
Температура
плавления, °С 1700	1238	1467	1070
Ширина запре¬
щенной зоны,
эВ
Подвижность,
см2/(В • с):
0,65
5,78
3,4
942	710
1,43	2,26	1,35	0,36	0,72
525
0,18
электронов 300	8800
дырок
К1Р-10"6,1/°С
Показатель пре¬
ломления
Диэлектричес¬
кая проницае¬
мость
100	400
5,6	5,3
200	4600	3000	5000	70	000
120	150	200	1000	1 000
5,9	4,6	5,3	7,0	5,5
2,4
3,6	3,4	3,4	3,5
3,8
12,2	13,1	11,1	12,4	15,7	14,6
4,0
17,7
В полупроводниковом производстве наиболее часто приме¬
няют арсенид, фосфид и антимонид галлия, арсенид и антимонид
индия.
25

Арсенид галлия выпускается в виде монокристаллических
слитков четырех марок: АГЭ, АГЭТ, АГДЦ и АГП (А и Г — арсе¬
нид галлия, Э и Д — электронного и дырочного типов электро¬
проводности, Т и Ц — легирующий элемент — теллур и цинк, П —
полуизолирующий). Две цифры, обычно стоящие после буквен¬
ного обозначения, указывают: первая — номинальную концент¬
рацию носителей заряда, а вторая является показателем степе¬
ни десятичного порядка этой величины (например, в обозна¬
чении АГЭ-4-15 цифры указьюают концентрацию, равную
4 - Ю15 см-3).
Тип электропроводности и удельное сопротивление ар-
сенида галлия определяются количеством введенных в ис¬
ходный материал акцепторных или донорных примесей (рис. 8).
Фосфид галлия представляет собой монокристаллические
слитки или дендритные пластины и выпускается шести марок:
ФГЭТ-К/10, ФГЭТ-0/20, ФГЭТ-3/50, ФГЭТК-К/30, ФГДЦ-3 и
ФГДЦК-К. Буквы в числителе дроби обозначают: ФГ — фосфид
галлия, Т, Ц и К — легирую¬
щую примесь (теллур, цинк,
кислород), буква после дефи¬
са — цвет свечения материала
(К — красный, О — оранже¬
вый, 3 — зеленый), а цифра в
знаменателе — минимальную
яркость свечения (кд/м2).
Антимонид галлия выпус¬
кается в виде монокристалли¬
ческих слитков следующих
марок: ГСД, ГСДГ, ГСДГ(Ц)
и ГСЭ(Т) (ГС - галлий и
сурьма; Г, Ц и Т — легиру¬
ющая примесь — германий,
цинк, теллур).
Арсенид индия выпуска¬
ется в виде монокристалли¬
ческих слитков следующих марок: ИМЭ, ИМЭТ, ИМЭО и ИМ ЦП
(И и М — индий и мышьяк; Т, О и Ц — легирующие примеси —
олово, теллур, цинк).
Антимонид индия выпускается в виде монокристаллических
слитков следующих марок: ИСЭ, ИСЭТ, ИСДГ и ИСДЦ (И и С -
индий и сурьма; Т, Г и Ц - легирующая примесь — теллур, гал¬
лий, цинк).
Соединения типа АнBVI представляют собой суль¬
фиды, селениды и теллуриды некоторых металлов (цинка, кад¬
мия и ртути) и имеют структуру сфалерита или вюрцита. Хими-
26
Рис. 8. Зависимость удельного
сопротивления арсенида галлия от
концентрации акцепторных и донор¬
ных примесей

ческая связь носит смешанный ковалентно-ионный характер.
Атомы элементов I группы (медь, серебро, золото) могут заме¬
щать в кристаллической решетке полупроводникового соедине¬
ния атомы металла (цинк, кадмий) и проявлять акцепторные
свойства, а атомы элементов III группы (алюминий, галлий,
индий) ведут себя как доноры. Соответственно акцепторные и
донорные свойства проявляют атомы элементов V и VII групп,
замещающие в решетке полупроводникового соединения атомы
халькогенов. Основные свойства соединений типа AUBVI приве¬
дены в табл. 4.
П VI
Таблица 4. Свойства соединений типа А В
Свойство
Соединение
CdS
CdSe
CdTe
ZnS
ZnSe
ZnTe
Постоянная ре¬
шетки, нм
0,58
0,60
0,64
0,54
0,56
0,61
Плотность,
г/см3
4,8
5,8
5,8
4,1
5,4
6,1
Температура
плавления,°С
1750
1264
1041
1780
1520
1239
Ширина запре¬
щенной зоны,
эВ
2,5
1,85
1,51
3,74
2,73
2,23
Подвижность,
см2/(В - с):
электронов
300
750
1200
140
260
500
дырок
70
20
60
5
15
30
КТР • 1(Г6,
1/°С
4,8
4,5
5,6
6,8
7,2
9,8
Соединения типа А^ BVI представляют собой
халькогены свинца PbS, PbSe, РЬТе, имеющие кубическую
кристаллическую решетку. Электрические свойства этих соеди¬
нений в большой степени зависят от состава. Так, избыток
атомов свинца или халькогена вызывает соответственно элект¬
ронную или дырочную электропроводность. Атомы элементов I
группы (медь, серебро) замещают в решетке атомы свинца и
являются акцепторами, а атомы трехвалентного металла (на¬
пример, висмута) замещают атомы свинца и являются донора¬
ми. Донорные свойства проявляют также атомы элементов VII
группы (галогены). Основные свойства соединений типа А^В^
приведены в табл. 5.
27

IV VI
Таблица 5. Свойства соединений типа А В
Свойство
Соединение
PbS
PbSe
РЪТе
Постоянная решетки, нм
0,59
0,61
0,64
Плотность, г/см3
7,6
8,1
6,4
Температура плавления, С
1114
1076
917
Ширина запрещенной зоны, эВ
Подвижность, см2 / (В • с) :
0,39
0,27
0,32
электронов
600
1200
1800
дырок
600
1000
900
§ 14. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ
Процесс осаждения монокристаллических полупроводнико¬
вых пленок на монокристаллические пластины, называемый эпи¬
таксией, занимает ведущее место в промышленном изготовле¬
нии полупроводниковых приборов и ИМС.
Тонкий слой осажденного полупроводникового материала,
повторяющий структуру исходной пластины, назьюают эпитак¬
сиальным. Если пластина и осажденный на нее слой выполнены
из одного материала (кремний — кремний), процесс назьюают
автоэпитаксиальным, а если из разных (кремний - селенид свин¬
ца) — гетероэпитаксиальным. Эпитаксией получают как простые
(однослойные) эпитаксиальные структуры, так и сложные (мно¬
гослойные) .
Однослойные эпитаксиальные структуры
кремния наиболее часто выращивают на пластинах кремния,
сапфира, а реже — ситалла и кварца и обозначают, например, так:
60	где	пеРеД Дробью указьюает диаметр плас¬
тины (структуры); первая цифра в числителе — толщину эпи¬
таксиального слоя, а в знаменателе — толщину пластины; буквы
и следующие за ними через дефис цифры в числителе и знамена¬
теле — соответственно марки и номинал удельного сопротивле¬
ния кремния эпитаксиального слоя и пластины.
Многослойные эпитаксиальные структу¬
ры кремния представляют собой композиции,осажденные
в виде нескольких эпитаксиальных слоев на одну или обе по¬
верхности пластины, и имеют следующие обозначения:
28

10 ЭК ДБ-0,001	Ю ЭКДБ-0,001
100 	 120
70 КДБ-10	20 ЭКДБ-50
30 КЭФ-0,02	90	КЭФ-0,02
В первой структуре слои осаждены на обе стороны пласти¬
ны. В ее обозначении цифра перед дробью указывает диаметр
пластины и эпитаксиальных пленок. Цифра в верхнем ряду и
следующие за ней буквы и цифра — толщину, марку кремния
и номинал удельного сопротивления верхнего эпитаксиального
слоя. Соответственно расшифровываются обозначения в среднем
и нижнем рядах.
Во второй структуре эпитаксиальные слои расположены по
одну сторону пластины. Обозначение ее расшифровывается так
же, как первой.
Кремниевые эпитаксиальные пленки на
сапфире обозначают так: КНС 10 Э.КДБ:&5. где буквы перед
*	F	25	С-250
дробью указывают название структуры (кремний на сапфире),
цифра, буквы и следующие за ними цифры в числителе — соот¬
ветственно толщину эпитаксиального слоя, марку кремния и
номинал его удельного сопротивления, а цифра, буква и следу¬
ющие за ней цифры в знаменателе — соответственно диаметр
пластины, ее материал (сапфир) и толщину.
Эпитаксиальные структуры германия
обозначают так же, как кремниевые, например: 40 50 ГДГАО?—.
150 ГДГЗ-0,75
Эпитаксиальные структуры соединений
типа Аш Bv выпускаются одно-, двух- и трехслойными и име¬
ют следующие обозначения:
4 АГЭ-1-15	5 АГЭ-1-18	5 АГЭ-1-18
215 АГЭТ-5-18	15 АГДЦ-1-15	7 АГЭ-2-15
300 АГДЦ-1-18	15 АГЭ-1-18
300 АГЭТ-5-18
В обозначении однослойных эпитаксиальных структур в
числителе и знаменателе соответственно указываются пара¬
метры эпитаксиального слоя и пластины; в обозначении двух¬
слойных структур в первой строке указываются параметры
первого эпитаксиального слоя, во второй — второго, а в
третьей — пластины. Аналогично расшифровывается обозначение
трехслойной структуры.
29

§ 15. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Полупроводниковые материалы, используемые в технологическом
цикле изготовления приборов и ИМС, предварительно контролируют по
основным электрическим параметрам: типу электропроводности, удель¬
ному сопротивлению, времени жизни неосновных носителей заряда и
плотности дислокаций.
Тип электропроводности контролируют двумя методами:
термозонда и точечно-контактного выпрямления.
Метод термозонда (рис. 9) состоит в определении полярно¬
сти термо-здс, возникающей между областями полупроводника,
одну из которых нагревают, прижимая к ней нагретый зонд, по
отклонению стрелки чувствительного нуль-гальванометра.
Метод точечно-контактного выпрямления (рис. 10) основан
на сравнении сопротивления точечного контакта металл —
полупроводник при различных полярностях приложенного
напряжения, так как выпрямляющие свойства такого кон¬
такта зависят от типа носителей заряда в полупроводнике, тип
электропроводности определяют по отклонению стрелки нуль -
гальванометра.
Рис. 9. Схема определения типа
электропроводности полупро¬
водниковых материалов мето¬
дом термо зонда:
1 - полупроводниковая пласти¬
на, 2 - термозонд, 3 - нуль-галь¬
ванометр, 4 — металлическая
подставка
Рис. 10. Схема определения типа
электропроводности полупро¬
водниковых материалов мето¬
дом точечного контакта:
1 — полупроводниковая пласти¬
на, 2 - омический контакт, 3 -
регулятор напряжения, 4	-
нуль-гальванометр, 5 — точечный
контакт
Удельное сопротивление в диапазоне от 10“4 до 103 Ом • см
определяют четырехзондовым методом (рис. 11). Этот метод
основан на расчете удельного сопротивления по разности потен¬
циалов, возникающей в двух расположенных на плоской поверх¬
ности образца точках при пропускании тока через два располо¬
женных на той же поверхности точечных контакта. Рассчитывают
30

удельное сопротивление по формуле р = litlU/I (где / — рассто¬
яние между зондами).
Рис. 11. Схема четырех-
зондового метода измере¬
ния удельного сопротив¬
ления полупроводнико¬
вых материалов:
1	— полупроводниковая
пластина (образец), 2 -
зонды, 3 - измеритель на¬
пряжения, 4 - источник
тока
Время жизни неосновных носителей заряда определяют
методом модуляции электропроводности в точечном контакте.
При этом измеряемый образец включают в электрическую цепь
так, что одним контактом служит одна из его поверхностей, а
другим — точечный контакт, прижимаемый к противоположной
поверхности. Точечный контакт является эмиттером, через кото¬
рый в прямом направлении пропускают два сдвинутых во вре¬
мени импульса тока с одинаковыми и постоянными амплиту¬
дами (режим генератора тока). Падение напряжения на образце,
обусловленное прохождением этих импульсов, наблюдают на
экране осциллографа. В момент прохождения первого импульса
в образец вводят неравновесные носители заряда, которые моду¬
лируют (увеличивают) его электропроводность. По окончании
этого импульса число неравновесных носителей заряда в резуль¬
тате рекомбинации уменьшается, поэтому сопротивление начи¬
нает возвращаться к исходному значению, увеличиваясь со вре¬
менем. Напряжение на образце в момент начала второго импуль¬
са определяется концентрацией неравновесных носителей заря¬
да, сохранившихся в образце. Разность напряжений первого Ux и
второго U2 импульсов зависит от времени задержки t, т.е.
Ui - U2 = Ае~х/т (где г - время жизни неосновных носителей
заряда). Фиксируя напряжение Ui и измеряя время задержки
t, по наклону прямых, построив график ln(£/i - U2) = ДО»
можно определить время жизни неосновных носителей заряда г.
Плотностью дислокаций характеризуется совершенство
структуры монокристалла полупроводника. Метод выявления
дислокаций основан на различии скоростей травления областей
полупроводника с дислокациями и без них. Так как скорость
травления полупроводника в местах выхода дислокаций на по¬
верхность значительно выше, здесь образуются ямки определен¬
ной формы, количество которых подсчитывают с помощью
микроскопа. Количество ямок травления на поверхности об-
31

разца подсчитывают в десяти полях зрения микроскопа, опре¬
деляя их среднюю сумму по формуле N=	(где	А^- — коли¬
чество ямок в поле зрения микроскопа; п — число полей зре¬
ния) . Плотность дислокаций рассчитывают по формуле = N/S
(где S — площадь поля зрения микроскопа, см2). Площадь-поля
зрения определяют с помощью прилагаемого к микроскопу
объект-микрометра, представляя результат двумя значащими
цифрами, умноженными на порядок определяемого значения
плотности дислокаций (например, 2,2 • 103 см”2).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие требования предъявляют к полупроводниковым матери¬
алам?
2.	Какими методами получают германий, кремний и соединения типа
AUIBV,AnBVI,AIVBVI?
3.	Что такое полупроводниковые эпитаксиальные пленки и как их
обозначают?
4.	Какие параметры полупроводниковых материалов контролируют
перед их использованием в производстве?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ
И ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
§ 16. КЛАССИФИКАЦИЯ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Абразивным может быть любой природный или искусственный мате¬
риал, зерна которого обладают определенными твердостью, абразивной
способностью, механической и химической стойкостью.
Твердость абразивных материалов определяют нанесением
царапин одним материалом на другом: более твердый материал
оставляет на более мягком риску (царапину) определенной глу¬
бины. По этому принципу построена минералогическая шкала
твердости — шкала Мооса, по которой самый твердый матери¬
ал — алмаз — имеет твердость 10, корунд — 9, топаз — 8, кварц —
7, ортоклаз — 6, апатит — 5, флюорит — 4, кальцит — 3, гипс — 2
и тальк — 1.
Под абразивной способностью понимают возможность об¬
работки одного материала другим или группой других материа¬
лов. Абразивная способность определяется количеством снятого
за установленное время материала. Если принять абразивную
способность алмаза за единицу, то абразивная способность кар¬
бида бора будет 0,6, карбида кремния — 0,5, корунда — 0,25.
32

Под механической и химической стойкостью понимают спо¬
собность абразивного материала выдерживать соответственно
механические нагрузки и агрессивную кислотно-щелочную
среду, не разрушаясь.
Абразивные материалы в
зависимости от размера
(крупности) зерен подразде¬
ляют на четыре группы:
шлиф зерно (от № 200 до
№	16), шлифпорошки (от
№ 12 до № 3), микропорош¬
ки (от № М63 до № М14) и
тонкие микропорошки (от
№ Ml0 до № М5). Каждый
номер зернистости абразив¬
ных материалов характери¬
зуется, в свою очередь, пятью
фракциями:	предельной,
крупной, основной, комплек¬
сной и мелкой. Размер зерен
абразивных материалов ока¬
зывает существенное влияние
на скорость съема материала и качество обработки (рис. 12).
В полупроводниковом производстве в качестве абразивных
материалов используют электрокорунд, карбиды кремния и
бора.
Электрокорунд — кристаллический оксид алюминия А12 Оз,
получаемый кристаллизацией его расплава, — твердый материал
белого цвета. В зависимости от содержания А1203 выпускаемый
промышленностью электрокорунд делится на три сорта: элект¬
рокорунд белый (от 98,5 до 99,5 % А1203), электрокорунд нор¬
мальный (от 91 до 96% А120з) и электрокорунд черный (от
65 до 75 % А1203).
Карбид кремния SiC — химическое соединение кремния с
углеродом. Химически чистый карбид кремния — бесцветный
материал, а технический в зависимости от количества примесей
приобретает оттенки от светло-зеленого до черного. Карбид
кремния — хороший абразивный материал с высокими режущи¬
ми свойствами. Выпускают карбид кремния двух разновиднос¬
тей: черный и зеленый. Черный карбид кремния более хрупок
и менее тверд, чем зеленый.
Карбид бора — тугоплавкое соединение бора с углеродом.
По твердости этот материал уступает только алмазу, однако по
сравнению с другими абразивными материалами он менее стоек
к внешним воздействиям (температуре, газовой среде).
3—467	33
Рис. 12. Зависимость скорости съе¬
ма материала (полупроводника) от
размеров зерен абразива

§ 17. АЛМАЗНЫЕ ПОРОШКИ И ПАСТЫ
Алмазные порошки и пасты являются основными материалами,
используемыми для механической обработки полупроводников. В зави¬
симости от размера зерен, методов получения и контроля алмазные по¬
рошки делятся на шлифпорошки, получаемые просеиванием на ситах,
и микропорошки, получаемые классификацией с использованием жид¬
кости.
Зерновой состав алмазных порошков характеризуется
совокупностью фракций: основной (преобладающей по коли¬
честву) , крупной и мелкой.
Алмазные шлифпорошки из синтетических алмазов выпус¬
каются пяти марок: АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС и отличаются
прочностью на сжатие. Так, прочность на сжатие шлифпорошков
АСО равна (1,5*2,2) • 104 Н/м2, АСР - (2,5*7) • 104 Н/м2,
АСВ - (4.3*11) • 104 Н/м2, АСК - (9*17) • 104 Н/м2, а АСС -
(2*6) • 105 Н/м2.
Алмазные микропорошки по сравнению с алмазными шлиф-
порошками имеют значительно меньшие размеры зерен. Микро¬
порошки синтетических алмазов выпускаются двух марок:
ACM и АСН, соответственно обладают повышенной и нормаль¬
ной абразивной способностью и имеют одиннадцать групп зер¬
нистости: 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7, 7/5, 5/3,	3/2,
2/1 и 1/0 (числитель и знаменатель соответственно указывают
максимальный и минимальный размеры зерен основной фрак¬
ции). Абразивная способность алмазных микропорошков
определяется отношением массы удаленного корунда к массе
израсходованного алмазного микропорошка и с уменьшением
зернистости снижается. Так, абразивная способность микропо¬
рошков ACM 60/40 и ACM 5/3 соответственно равна 3,3 и 1,2, а
АСН 60/40 и АСН 5/3 - 4,3 и 1,9.
Алмазные пасты состоят из алмазных микропорошков
различной зернистости и высокомолекулярных поверхност¬
но-активных веществ. Для изготовления алмазных паст ис¬
пользуют микропорошки синтетических алмазов от АСМ-40/28
до ACM 1/0. В зависимости от процентного содержания алмаз¬
ного порошка выпускаются алмазные пасты четырех кон¬
центраций: высокой (В), средней (С), низкой (Н) и пони¬
женной (П), которые по консистенции разделяются на твер¬
дые (Т), густые (Г), мазеобразные (М) и жидкие (Ж).
Например, алмазную пасту из микропорошка АСМ-1/0
высокой концентрации и жидкой консистенции обозначают
АСМ-1/0-В--Ж.
34

§ 18. ПОЛИРОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС по
планарной технологии предъявляют высокие требования к ка¬
честву обработки поверхности полупроводниковых пластин.
Для получения высокой точности обработки применяют различ¬
ные полировочные материалы.
Оксид хрома Сг203 — порошок зеленого цвета — продукт
восстановления двухромовокислого аммония серой, является
основным полировочным материалом. Полученный материал
размельчают и отмывают водой от ионов S04, а также водо¬
растворимых солей и берут фракцию с соответствующим разме¬
ром зерен. Промышленностью выпускаются три марки оксида
хрома: ОХМ (металлургический), ОХП (пигментный) и ОХЧ
(часовой) с содержанием чистого продукта не менее 98 %.
Полирит — порошок коричневого цвета, содержащий 97 %
оксидов редкоземельных элементов (в том числе до 45 % окси¬
да церия). Аэросил — рыхлый голубовато-белый порошок,
представляющий собой чистый диоксид кремния и выпускаемый
трех марок: А-175, А-300 и А-380 соответственно со средним
размером зерен 10-40, 5-20 и 5—15 нм.
Элплаз — порошок белого цвета, применяемый для финиш¬
ной полировки полупроводниковых пластин и выпускаемый
трех марок: А, Б и В с размером зерен, не превышающим
0,5 мкм. Элплаз марки А применяют при скоростной обработке
кремниевых пластин на полировальниках из замши, марки Б —
при нескоростной обработке, а марки В — при обработке плас¬
тин полупроводниковых соединений типа АШВУ и AnBVI на
обычных полировальниках.
§ 19. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ШЛИФОЗАЛЬНИКОВ
И ПОЛИРОВАЛЬНИКОВ
Выбор материала шлифовальников и полировальников зна¬
чительно влияет на качество обработки полупроводниковых
пластин.
В качестве шлифовальников обычно используют чугунные,
стальные, медные, стеклянные, деревянные, текстолитовые и
текстовинитовые диски с плоской рабочей поверхностью, на
которой при обработке размещают полупроводниковые пласти¬
ны. Рассмотрим основные материалы, из которых изготовляют
шлифовальники.
Чугун - сплав железа с углеродом — относится к группе
черных металлов. Чугуны бьюают белые, серые, ковкие и высо¬
копрочные. Отличительной особенностью их является содержа-
3**	35

ние углерода и форма графитовых включений. Для изготовления
шлифовальников применяют чугуны марок ХЧ-1 — ХЧ-4,
JIX4-1 — ЛХЧ-6 и ЛД-1 - ЛД-3 с повышенным содержанием
кремния.
Сталь — также сплав железа с углеродом, содержащий мень¬
ше, чем чугун, углерода. Стали обладают высокими механичес¬
кими свойствами, стойки к перегрузке и ударам. Шлифовальни-
ки обычно изготовляют из стали марок Ст2, СтЗ и Ст4.
Шлифовальники из чистой меди используются очень редко.
Более широкое применение нашли сплавы на основе меди:
латуни и бронзы.
Латунь и бронза — соответственно сплавы меди с цинком и
меди с оловом и фосфором, обладающие высокой коррозионной
стойкостью. Это позволяет проводить процесс шлифования
полупроводниковых материалов в агрессивных средах (щелоч¬
ных и солевых растворах).
Стекло — твердый прозрачный материал, широко использу¬
емый дчя изготовления шлифовальников методом горячего
литья в специальные формы. Наиболее пригодны для шлифо¬
вальников боросиликатные стекла, обладающие высокими
твердостью и стойкостью к истиранию.
Текстолит - материал, получаемый пропиткой различных
тканей горячей смолой и последующим прессованием; обладает
высокими стойкостью и механической прочностью.
Древесина - плотный мягкий материал, который после спе¬
циальной термической обработки и пропитки укрепляющими
составами используется для изготовления шлифовальников.
Стеклопластик — материал, основой которого являет¬
ся стеклоткань, а в качестве пропиточного состава исполь¬
зуется эпоксидная смола; обладает высокими нагревостой-
костью и механической прочностью.
Текстовинит — хлопчатобумажная ткань с поливинилхлорид¬
ным покрытием; обладает высокой эластичностью, но низкой
стойкостью к истиранию. Обычно из текстовинита изготовляют
шлифовальники для последних доводочных операций, а также
полировальники.
Зависимость производительности шлифовки от размера зе¬
рен абразива и материала шлифовальника показана на рис. 13.
Полировальники представляют собой стеклянные или ме¬
таллические диски, рабочие поверхности которых обтянуты
такими мягкими и ворсистыми материалами, как ворсит, зам¬
ша, фланель, батист, фетр, велюр, сукно, войлок, политан, поли-
вел и лавсан. Выбор материала зависит от его совместимости с
используемым абразивным составом (суспензией). Полировоч¬
ная ткань должна в процессе полирования удерживать своим
36

ворсом частицы абразивного
материала и быть стойкой к
истиранию при определенных
технологических режимах.
Обычно для предварительной
полировки полупроводнико¬
вых пластин используют без¬
ворсовые тканевые материа¬
лы, а для окончательной фи¬
нишной обработки — ворси¬
стые.
Полировальники не долж¬
ны иметь складок, порезов,
утолщений, разорванных ни¬
тей, бугров и впадин, посто¬
ронних включений и других
дефектов. Стойкость мягких
полировальников к истира¬
нию невелика. Так, батистовые полировальники пригодны для
обработки 20-30 пластин кремния, сатиновые — 50—70, зам¬
шевые - 100-120, велюровые - 500—600.
§ 20. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ СЛИТКОВ
И ПЛАСТИН ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Крепление к металлическим частям станков слитков и плас¬
тин при резке, шлифовке и полировке является важной и слож¬
ной технологической операцией, влияющей на качество процесса
обработки и его производительность. Так как полупроводнико¬
вые пластины хрупкие, их крепят на подложке не цангами,
хомутиками или другими зажимающими приспособлениями, а
различными клеящими веществами (рис. 14, а).
Монокристаллические полупроводниковые слитки при рез¬
ке на пластины крепят к держателю станка (рис. 14, б), исполь¬
зуя клеящие составы на основе эпоксидных смол (ЭД-5 и ЭД-6),
в которые вводят отвердители, пластификаторы, наполнители
и разбавители. В качестве примера можно привести клеящую
смесь, содержащую 36 % эпоксидной смолы, 53 % карбоната
кальция, 2 % коллоидного кремнезема и 9 % алифатических
аминов. Для крепления пластин к планшайбам шлифов ал ьников
и полировальников широко используют материалы с невысокой
температурой плавления: воск, парафин, канифоль, пицеин,
шеллак, церезин и глифталевый лак. Процесс крепления состоит
в нагреве клеящего материала до температуры плавления и ох¬
лаждения после прижима пластин к поверхности планшайбы.
Отделяют пластины, нагрев планшайбу.
37
ц мкм/мин
Рис. 13. Зависимость производи¬
тельности шлифовки кремниевых
пластин от размеров зерен абразива
для шлифовальников из стали (/),
меди (2), стекла (3) и латуни (4)

Рис. 14. Способы
крепления полу¬
проводниковых
материалов при
механической об¬
работке:
а — пластины на
плоской подлож¬
ке, б - слитка на
державке; 1	—
подложка, 2	—
пластина (сли¬
ток) , 3 - клеящее
вещество, 4 — дер¬
жавка
Рассмотрим основные клеящие материалы.
Воск — термопластичный материал желтого цвета, хорошо
растворимый в бензине. При нагревании до 60—70 °С он размяг¬
чается и при дальнейшем повышении температуры расплавляется
и растекается по поверхности планшайбы. Охлаждаясь, воск
застывает и образует пленку, прочно скрепляющую полупровод¬
никовые пластины с планшайбой.
Парафин — термопластичный материал белого цвета рыхлой
структуры, что обусловливает его большую усадку при застыва¬
нии (10%). При охлаждении в парафине могут образовываться
воздушные пузыри. Размягчение парафина начинается с 50°С.
Канифоль — хрупкая прозрачная стеклообразная масса жел¬
того цвета, хорошо растворимая в спирте, скипидаре и углеводо¬
родах. Температура размягчения 70 °С.
Пицеин — термопластичное вещество, размягчающееся при
70-90 °С и представляющее собой смесь 25 г канифоли и 75 г
воска.
Шеллак — смолистое вещество желто-коричневого цвета,
растворимое в спирте и щелочах. Температура размягчения
80 °С. Пицеин обеспечивает высокую механическую прочность
крепления пластин.
Церезин — термопластичное вещество желтого цвета. Темпе¬
ратура размягчения 90—100 °С.
Глифталевый лак — синтетическая алкидная смола (модифи¬
цированная канифоль) . Температура размягчения около 110 °С.
38

§ 21. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОТМЫВКИ ПЛАСТИН
После механической обработки полупроводниковые пласти¬
ны отмывают от различных загрязнений: частиц абразива, клея¬
щих веществ, жиров (восков, смол) и остатков солей. Загрязне¬
ния на поверхности полупроводниковых пластин резко сни¬
жают качество последующих операций. Отмьюка пластин со¬
стоит из двух этапов: обезжиривания и промывки в особо
чистой воде.
На первом этапе используют растворители — органические
соединения, способные растворять жиры, масла, воски, смолы,
углеводороды (бензол, толуол, ксилол) или их смеси (бензин,
лигроин, керосин, скипидар), а также спирты (метиловый, эти¬
ловый, пропиловый, бутиловый), эфиры, амины, кетоны (аце¬
тон, метилэтилкетон, циклогексанон) и хлорорганические соеди¬
нения (четыреххлористый углерод).
При работе с растворителями необходимо помнить, что, за исключе¬
нием хлорорганических соединений, они легко воспламеняются, а многие
обладают высокой токсичностью и взрывоопасны. Поэтому растворители
следует обязательно хранить и переносить в герметичной таре, работать
с ними надо в специальных вытяжных шкафах только при исправной вы¬
тяжной вентиляции.
Бензин — легко воспламеняемая жидкость, получаемая пря¬
мой перегонкой нефти. Плотность 0,73 г/см3 .
Лигроин С6Н14 — С8Н18 — бесцветная легко воспламеняю¬
щаяся жидкость (промежуточная фракция между бензином
и керосином).
Бензол С6Н6 — бесцветная, легко воспламеняющаяся жид¬
кость. Плотность 0,87 г/см3.
Толуол С7Н8 - бесцветная прозрачная, легко воспламеняю¬
щаяся жидкость. Плотность 0,86 г/см3.
Этиловый спирт С2Н5ОН — прозрачная жидкость, имеющая
плотность 0,78 г/см3.
Метиловый спирт СН3ОН — прозрачная жидкость, получае¬
мая из древесины и имеющая плотность 0,79 г/см3. Сильный яд.
Ацетон СН3СОСН3 — прозрачная бесцветная, легко воспла¬
меняющаяся жидкость. Плотность 0,79 г/см3.
Четыреххлористый углерод СС14 - бесцветная негорючая
жидкость, имеющая плотность 1,59 г/см3,
На втором этапе используют особо чистую воду.
Вода — бесцветная жидкость без запаха и вкуса — является
самым распространенным веществом в природе и представляет
собой химическое соединение 11,2% водорода и 88,8% кисло¬
рода. Температура замерзания воды 0°С, а кипения 100°С.
39

Наибольшую плотность, равную 1 г/см3, вода имеет при 4°С и
давлении 105 Па.
Так как в воде растворимы многие соли, оксиды, кислоты и
щелочи, природная вода никогда не бывает совершенно чистой и.
не может быть использована для отмывки полупроводниковых
пластин. В полупроводниковой технологии используют особо
чистую воду: дистиллированную — для предварительной отмыв¬
ки и деионизованную (ионнообменную) — для финишной.
Дистиллированная вода, получаемая многократ¬
ной дистилляцией, содержит небольшое количество примесей
(сухой остаток равен 5 мг/л) и ее электрическое сопротивление
не превышает 100 кОм • см.
Деионизованную воду получают методом ионного
обмена, сущность которого состоит в том, что в системе вода -
ионит происходит обмен ионами. В качестве ионитов используют
различные ионообменные смолы. В воде всегда содержатся
катионы железа, меди, кальция, магния, натрия, калия и анионы
хлоридов, сульфидов, бикарбонатов. Для очистки воды от них
используют катионитовые (КУ-1, КУ-2, КУ-8-4с, КБ-4, КБ-4П2)
и анионитовые (АВ-16, АВ-17, АВ-20, АВ-17-8-4с) смолы. Де¬
ионизованная вода бывает марок А и Б и соответственно исполь¬
зуется для промывки пластин с р-и-переходами и других элемен¬
тов. Вода марки А имеет удельное сопротивление 20 МОм • см,
а марки Б — около 1 МОм • см.
§ 22. ХИМИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ СМЕСИ ДЛЯ ТРАВЛЕНИЯ
Обработку пластин травлением в жидких смесях применяют
для удаления загрязнений, оставшихся после отмывки в раство¬
рителях (пленки оксидов и механически нарушенного слоя,
возникающего при резке, шлифовке и полировке), доведения
толщины исходных пластин до заданных размеров, выявления
границы р-и-переходов и структурных дефектов, получения за¬
данного рельефа на поверхности (лунок, мезаструктур, рисун¬
ка) , а также при различных структурных исследованиях.
В зависимости от обрабатываемого материала для травления
используют кислоты, щелочи и соли, которые должны содержать
минимальное количество посторонних примесей и механических
включений. Травильные смеси приготовляют из материалов трех
основных марок: ХЧ (химически чистый), ЧДА (чистый для
анализа) и Ч (чистый).
Кислоты — это химические соединения, молекулы которых
состоят из кислотного остатка и связанных с ним атомов водо¬
рода, способных замещаться атомами металлов с образованием
солей. Кислоты бывают кислородные (H2S04, Н2С0з, HN03
40

и др). и бескислородные (НС1, H2S, HF и др.)* Число атомов
водорода в молекуле кислоты определяет ее основность. Так,
кислоты НС1, HF, HN03 - одноосновные, H2S04, Н2С03 - двух¬
основные, а Н3РО4 — трехосновная. Многие кислоты хорошо
растворимы в воде. По степени диссоциации в водных растворах
различают сильные (HNO3, НС1, H2S04), средние (H3P04, HF)
и слабые (СН3СООН) кислоты. Для обнаружения кислот ис¬
пользуют индикаторы — красители, обладающие способностью в
присутствии кислоты изменять свою окраску. Например, водные
растворы лакмуса (или лакмусовая бумага) и метилоранжа
в присутствии свободных кислот окрашиваются соответственно
в красный и розовый цвета.
Необходимо помнить, что все кислоты при попадании на кожу вызы¬
вают сильные ожоги, поэтому работать с ними необходимо в резиновых
перчатках, халате и фартуке.
Щелочи — это растворимые в воде основания. Хорошо раст¬
воримыми в воде основаниями являются широко применяемые
в полупроводниковом производстве КОН и NaOH. Щелочи, как
и кислоты, являются ядовитыми веществами и сильно разъедают
кожу, вызывая ожоги. Растворимые в воде щелочи изменяют ок¬
раску индикаторов: лакмуса — в синий цвет, а фенолфталеина —
в малиновый.
Соли - это химические соединения, молекулы которых
состоят из атомов кислотного остатка и связанных с ними ато¬
мов металла. Обычно соли являются продуктами замещения
атомов водорода атомами металла в кислотах.
Травители для германия приготовляют в зависимости от тре¬
бований химической обработки: зеркальности или матовости
поверхности пластин, селективности, выявления дефектов и др.
Для травления германия используют пергидролевые, щелочные
и кислотные травители.
Пергидролевые травители представляют собой
смеси пероксида водорода Н2 02 с водой различных концентра¬
ций (обычно от 5 до 30 % Н202). Травление проводят при темпе¬
ратуре кипения. После обработки в таком травителе пластины
германия имеют матовую поверхность.
Щелочные травители в основном используются для
увеличения скорости травления и состоят из смеси пероксида
водорода и щелочи (КОН, NaOH).
Кислотные травители, наиболее широко применяе¬
мые для травления германия, состоят из определенного количе¬
ства азотной, плавиковой (фтористоводородной) и уксусной
кислот, а также различных добавок. Так, для обработки поверх¬
ности пластин германия, имеющих кристаллографическую
41

ориентацию (100), применяют травильную смесь из 10 мл
азотной, 5 мл плавиковой и 10 мл уксусной кислот. Для получе¬
ния полированной (зеркальной) поверхности используют смесь,
состоящую из 25 мл азотной, 15 мл плавиковой, 15 мл уксусной
кислот и 0,3 мл раствора брома. Для выявления р-и-перехода
или дослокаций используют смесь из азотной и плавиковой
кислот, взятых в соотношении 3:1. При обработке пластин,
имеющих ориентацию (111), применяют травитель, состоящий
из 50 мл азотной, 10 мл плавиковой кислот, 5 мл воды и 200 мг
AgN03. Зеркальную поверхность германия получают также,
используя травильную смесь, содержащую азотную и плавико¬
вую кислоты, смешанные с 10 %-ным раствором Cu(N03)2.
Травите ли для кремния бывают щелочными и кислотными.
Разновидностью их являются анизотропные травители.
Щелочные травители (смеси водных растворов
КОН и NaOH, имеющие концентрацию от 1 до 30 %) используют
для получения шероховатой (матовой) поверхности и анизо¬
тропного (избирательного) травления.
Кислотные травители (смесь азотной и плавико¬
вой кислот) обладают полирующим действием и создают зер¬
кальную поверхность. Максимальную скорость травления полу¬
чают при соотношениях HN03 : HF = 2:9. Для замедления ско¬
рости травления кремния в такую травильную смесь вводят ук¬
сусную кислоту. Для выявления дислокаций используют смесь
азотной, плавиковой и уксусной кислот в соотношении 2:9:4.
Анизотропный травитель, состоящий из 250 г
гидроокиси калия, 800 мл воды, 25 мл пропанола, 25 мл бутано-
ла и 0,5 г кремния, обладает высокой, низкой и промежуточной
скоростями травления соответственно в направлениях кристал¬
лографических плоскостей (100), (111) и (110). Добавка крем¬
ния в этот травитель позволяет контролировать процесс. Финиш¬
ную обработку пластин кремния непосредственно перед процес¬
сом окисления или эпитаксиального наращивания проводят, ис¬
пользуя следующие смеси: Н202 : H2S04 : Н20 = 1 :1 : 3; Н202 :
: NH3 : Н20= 1 : 1:2; Н202 : NH4OH: Н20 =1:1:3.
Травители для материалов типа АШВУ представляют собой
смеси кислот. Так, для травления арсенида галлия используют
смесь азотной, соляной кислот и воды, взятых в соотношении
1	: 2 : 2, а антимонида галлия — смесь азотной и плавиковой кис¬
лот, взятых в соотношении 9:5. Обработку арсенида индия про¬
водят в смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот, взятых
в соотношении 10:3:3.
Травители для материалов типа AnBVI представляют собой
смеси различных химических веществ. Так, для обработки CdS
используют смесь из 1 мл серной кислоты, 100 мл воды и 0,08 г
42

оксида хрома Сг03, а для обработки ZnS можно применять ки¬
пящий раствор концентрированной азотной кислоты.
Травители для защитных Si02 и Si3N4 и тонких металли¬
ческих пленок имеют различные составы. Так, пленки Si02
хорошо травятся в плавиковой кислоте, однако ее не применяют
из-за малого содержания ионов фтора, а используют буферные
травители, состоящие из HF, NH4F и Н20, взятых в соотноше¬
нии 2:9:2. Пленки Si3N4 хорошо травятся в кипящей фосфор¬
ной кислоте, концентрированной плавиковой кислоте и буфер¬
ном тоавителе.
Пленки меди травят в смеси серной, азотной кислот и хлор¬
ного железа. Кислоты берут в соотношении от 2 :1 до 1 :2. При
этом следует учитывать, что азотная кислота ускоряет процесс
травления, а серная — замедляет.
Пленки алюминия можно травить в 10—20 %-ных щелочных
растворах КОН и NaOH с добавками NaCl, NaN03, Na3P04,
Na2C03. Для кислотного травления пленок алюминия использу¬
ют составы на основе серной, ортофосфорной и плавиковой
кислот, например травитель, содержащий 65 г Сг03, 350 г Н2 S04
и 1000 г воды. Для травления алюминиевых пленок используют
также смеси на основе хлорного железа: FeCl3 : НС1 = 10:1.
Пленки серебра хорошо травятся в концетрированных азот¬
ной и серной кислотах. В качестве сильного травителя приме¬
няют смеси азотной и серной кислот, взятых в соотношении 1:1.
Более мягкие травители для серебра — 10-30 %-ные растворы
соляной кислоты, а также следующая смесь: Cr03:H2S04:
: Н2 О = 2 : 1 : 100.
Пленки золота травят в царской водке — смеси азотной и
соляной кислот, взятых в соотношении 1:3.
Пленки хрома травят в смеси Н2 S04 : Н2 О = 1 :1, а молиб¬
дена - в смеси Н2 S04 : HN03 : Н20 = 1 : 2 : 300.
Пленки вольфрама при комнатной температуре в соляной,
азотной, серной и плавиковой кислотах не травятся. Интенсив¬
ное их травление происходит в смеси азотной и плавиковой кис¬
лот, взятых в соотношении 1:1.
Пленки никеля травят в 50 %-ной азотной кислоте, а также
в следующей смеси HN03 : Н2 S04 : NaCl = 2:2:1.
Пленки тантала устойчивы к действию азотной кислоты,
хромовой смеси, фосфорной и соляной кислот. Однако плави¬
ковая кислота и ее соли энергично реагируют с танталом.
Пленки ниобия лучше всего растворяются в смеси азотной
и плавиковой кислот.
Пленки свинца растворяются в концентрированной соляной
кислоте практически с постоянной скоростью. Азотная кислота
реагирует со свинцом более энергично в виде разбавленных
растворов.
43

Пленки олова хорошо травятся в водных растворах хлорно¬
го железа.
Тонкие .пленки, применяемые в микроэлектронике, из-за
возможности уменьшения геометрических размеров структур¬
ных элементов ИМС травят, как правило, в слабых растворах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие материалы называют абразивными и как их классифици¬
руют?
2.	Какими свойствами обладают алмазные микропорошки и пасты?
3.	Из каких материалов изготовляют шлифовальники и полироваль¬
ники?
4.	Какие материалы применяют для крепления слитков и пластин
при их механической обработке?
5.	Какие химические травители используют для обработки полупро¬
водников?
ГЛАВА Ч ЕТВ ЕРТАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТО-, РЕНТГЕНО-
И ЭЛЕКТРОНОЛИТОГРАФИИ
§ 23. ФОТОРЕЗИСТЫ И ИХ СВОЙСТВА
Фоторезисты - это светочувствительные вещества, изменяющие
свои свойства, прежде всего растворимость, под действием актиничного
света* и устойчивые к кислотным и щелочным травителям.
Основным назначением фоторезистов является создание
на поверхности полупроводниковой пластины тонкого защит¬
ного слоя в виде рельефа рисунка. Рельеф рисунка получается в
результате светового воздействия через фотошаблон оригинала
на отдельные участки слоя фоторезиста и неодинаковой раство¬
римости освещенных и неосвещенных участков. После прояв¬
ления облученного слоя фоторезиста часть его (рисунок) оста¬
ется на пластине и служит защитной массой при последующих
технологических операциях, а часть удаляется. Образующиеся в
слое фоторезиста ’’окна” позволяют проводить такие важнейшие
технологические операции, как локальное травление пластин,
*Под актиничным светом понимают световое излучение, воздейству¬
ющее на фоторезист, вызывающее протекание фотохимических реакций
и изменение растворимости облученных участков.
44

удаление защитных диэлектрических пленок Si02 и Si3N4, а
также вытравливание рельефа в металлических пленках.
Фоторезисты являются сложными веществами. Так как
защитные свойства фоторезистов на основе мономеров невы¬
соки, в фотолитографии их используют в качестве добавок к
полимерной основе. Процессы, происходящие в фоторезистах
под действием света, подчиняются основным фотохимическим
законам. Многие полимерные вещества, из которых изготов¬
ляют фоторезисты, содержат функциональные группы, погло¬
щающие свет в ультрафиолетовой (УФ) области спектра (270-
450 нм). Собственная светочувствительность полимера может
быть изменена в широких пределах введением в него специ¬
альных добавок. В зависимости от происходящих в фоторези¬
стах химических реакций их подразделяют на негативные и
позитивные.
В качестве негативных фоторезистов
в полупроводниковой технологии применяют составы на основе
сложного эфира поливинилового спирта и коричной кислоты -
поливинилциннаматы. При поглощении света в негативных фото¬
резистах двойная связь углерод — углерод циннамоильной
группы разрывается, а возникающие при этом свободные связи
приводят к образованию мостиков, сшивающих отдельные моле¬
кулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру.
Наряду с поливинилциннаматами используют также циклокау-
чук с различными добавками. Циклокаучук не является свето¬
чувствительным материалом, поэтому для повышения чувстви¬
тельности к свету в него вводят различные органические азиды
(алкилазиды, алкеназиды, арилазиды, бисазиды и др.). Под дей¬
ствием света азиды разлагаются с потерей молекулы азота, обра¬
зуя новые вещества — нитрены, которые вступают в реакцию
с макромолекулами каучука, в результате чего образуется стой¬
кая трехмерная структура.
В качестве позитивных фоторезистов
наибольшее применение нашли составы на основе новолака и
светочувствительного нафтохинондиазида. Особенность этих
материалов заключается в том, что под действием света в них
происходит отщепление азота от нафтохинондиазидной группы
и в результате фотохимической реакции образуется инденкар-
боновая кислота. Гидрофобные производные нафтохинондиа¬
зида после фотохимических превращений станоятся гидрофиль¬
ными, ъе. приобретают способность растворяться в слабых раст¬
ворах щелочей. Таким образом, при проявлении проэкспониро-
ванной пленки фоторезиста карбоксильная группа, получаю¬
щаяся при разложении кислоты, реагирует с проявителем с обра¬
зованием легко растворимых в воде солей. Это приводит к
45

тому, что про экспонированные участки пленки фоторезиста вы¬
мываются в проявителе, а непроэкспонированные остаются на
пластине.
Основные свойства фоторезистов — светочувствитель¬
ность, разрешающая способность и кислотоустойчивость.
Светочувствительность фоторезисте является функцией
процессов экспонирования и проявления. Основным параметром
процесса экспонирования является спектральная чувствитель¬
ность фоторезиста, которая зависит от обратной поглощенной
световой энергии, необходимой для определенного изменения
свойств светочувствительного материала. Таким образом, свето¬
чувствительность фоторезиста связана с полнотой засветки его
слоя. Однако конечная цель фотолитографического процесса —
не только полнота засветки фоторезиста, но и получение релье¬
фа рисунка высокого качества. Прямое влияние на светочувст¬
вительность фоторезиста оказывает процесс его проявления, так
как при этом происходит химическое взаимодействие прояви¬
теля с экспонированными и неэкспонированными областями
пленки фоторезиста.
Критерием светочувствительности негативных фоторезистов
является образование после экспонирования и проявления на
поверхности пластин локальных полимеризованных участков
(рельефа рисунка). Критерием светочувствительности позитив¬
ных фоторезистов являются полнота разрушения и удаления
с поверхности пластин после экспонирования и проявления ло¬
кальных участков (рельефа рисунка) пленки фоторезиста.
Таким образом, светочувствительностью определяется четкость
изображения рельефа рисунка в слое фоторезиста после про¬
цессов экспонирования и проявления, т.е. рельеф создавае¬
мого рисунка должен иметь резкое очертание границ между
областями удаленных и оставшихся на поверхности пластин
участков.
Под разрешающей способностью фоторезистов понимают
возможность создания с их помощью микрорельефа рисунка с
минимальными геометрическими размерами элементов. Разре¬
шающая способность фоторезистов зависит от оптических явле¬
ний, происходящих в системе фотошаблон — фоторезист - плас¬
тина в процессе экспонирования, а также от режимов проявле¬
ния и сушки.
К оптическим явлениям следует отнести дифракцию света,
рассеяние его в слое фоторезиста и отражение от пластины.
Режимы проявления и сушки значительно влияют на точ¬
ность и стабильность геометрических размеров микроэлементов
рельефа рисунка в слое фоторезиста. Так, перепроявление увели¬
чивает размеры изображения (особенно при использовании пози-
46

тивных фоторезистов), а неправильная сушка может вызвать
коробление пленки фоторезиста и существенное изменение
размеров микроизображения.
Поэтому максимальную разрешающую способность фоторе¬
зистов получают оптимизацией этих процессов. Разрешающая
способность фоторезистов определяется числом линий равной
толщины, которые могут быть получены без слияния на 1 мм
поверхности пластины.
Кислотостойкостъю фоторезистов определяется возмож¬
ность их обработки в сильных кислотных и щелочных смесях,
т.е. способность после экспонирования, проявления и сушки
селективно защищать поверхность пластин от воздействия
кислотных и щелочных травителей. Критерием кислотостойко-
сти является время, в течение которого пленка фоторезиста под
действием травителя не разрушается или не отслаивается.
Основные свойства фоторезистов приведены в табл. 6.
Таблица 6. Свойства фоторезистов
Марка
Цвет
Вяз¬
кость,
МПа • с
Разрешаю¬
щая спо-
ность,
лин/мм
Стойкость
в прояви¬
теле, с
Позитивные
ФП-307
Оранжевый
60
500
90
ФП-309
Красный
60
400
60
ФП 330
Оранжевый
59
400
60
ФП-333
»
28
500
180
ФП-334
Коричневый
45
400
600
ФП-383
Оранжевый
59
400
60
ФП-617
Коричневый
230
600
60
ФП-626
Оранжевый
240
500
60
ФП-626а
»
240
500
60
ФП-РН-7
Коричневый
25
400
60
ФП-РН-7-2
»
25
400
2400
Негативные
ФН-11
Коричневый
90
100
Устойчив
ФН-103
»
150
50
»
ФН-106
Желтый
70
200
»
ФН-108
Оранжевый
35
400
-
§ 24. РЕНТГЕНО- И ЭЛЕКТРОНОРЕЗИСТЫ
Для проведения рентгено- и электронолитографии можно
использовать как позитивные, так и негативные фоторезисты.
Однако их разрешающая способность недостаточна из-за того,
47

что получаемая экспонированная линия оказывается значительно
шире диаметра электронного луча. Поэтому для процессов тре¬
буются специальные материалы, наиболее подходящим из кото¬
рых является полиметалметакрилат (ПММА). Этот материал
нечувствителен к свету и позволяет получать методами рентгено-
и электронолитографии линии соответственно шириной 0,1 и
0,05 мкм. Другим материалом, который может быть использо¬
ван в качестве рентгено- и электронорезиста, является полибу-
тенсульфон (ПБС), позволяющий получать линии толщиной
до 0,5 мкм. Оба резиста позитивные.
В качестве негативных резистов используют два материала:
сополимер глицидилметакрилата и этилакрилата (ПГМАКЭА)
и эпоксидированный полибутадиен (ЭПБД). Минимальный раз¬
мер линий, получаемых на негативных резистах, больше, чем на
позитивных для ПГМАКЭА — 1 мкм и для ЭПБД — 1,5 мкм.
Чувствительность как позитивных, так и негативных резис¬
тов к потоку электронов неодинакова. Наибольшей чувствитель¬
ностью обладает резист ПММА (1,0 Дж/см2), а чувствительность
резистов ПГМАКЭА (ЭПДБ) и ПБС соответственно равна 0,1
и 0,09 Дж/см2.
Кроме того, в промышленности применяют позитивные ре¬
зисты ЭРП и ЭЛП на основе полиметил метакрилата (ЭРП-1 и
ЭЛП-9) с метакриловой кислотой и негативные резисты ЭЛН
(ЭЛН-24), состоящие из циклокаучука ГИПИ-4 с добавками фе¬
нил мал еимида.
§ 25. СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭМУЛЬСИИ
При производстве фотошаблонов (оригиналов) применяют
светочувствительные эмульсии на основе сухого коллодиона, а
для создания рисунка на печатных платах — светочувствитель¬
ные лаки.
Эмульсии на основе сухого коллодиона
приготовляют из раствора коллодия, который очувствляют —
сенсибилизируют*. Коллодий представляет собой раствор кол¬
локсилина в смеси спирта и медицинского эфира в соотношении
1:1.
Коллоксилин — азотнокислый эфир целлюлозы, получаемый
воздействием на клетчатку концентрированной азотной кислоты
(нитрирование).
*	Сенсибилизация - повышение светочувствительности материалов
в результате химического взаимодействия с определенными добавками
(сенсибилизаторами).
48

Процесс очувствления эмульсии на основе сухого коллодио*
на заключается в добавлении в раствор йодистой или бромистой
соли Cdl, CdBr или NH4Br. На поверхность пластин наносят
1,5 %-ный раствор коллоксилина, а затем его сенсибилизируют,
погружая пластины в 10 %-ный раствор нитрата серебра AgN03.
На поверхности слоя коллоксилина и на небольшой глубине в
его объеме образуется бромид (или йодид) серебра. Окончатель¬
ное очувствление проводят, обрабатывая пластины в 0,3 9^ном
растворе азотнокислого серебра. Полученный на подложке слой
подкисляют в растворе азотной кислоты, задубливают в раство¬
ре танина и высушивают.
В полупроводниковой технологии используют эмульсии на
основе сухого коллодиона следующего состава: 1,5 г коллокси¬
лина, 50 мл этилового спирта, 50 мл эфира, 1 г бромистого
кадмия. Разрешающая способность такой эмульсии до
1300 лин/мм; светочувствительность от 0,0014 до 0,04 единиц
ГОСТа; коэффициент контрастности для различного времени
проявления 4—8; максимальная чувствительность соответствует
длине волны 360 нм, т.е. лежит в ультрафиолетовой области
спектра.
Светочувствительные лаки, используемые для
изготовления печатных плат, представляют собой вязкие веще¬
ства, обладающие хорошей адгезией к различным подложкам.
Одним из таких материалов является светочувствительный лак
Ф-8 на основе раствора эпоксидированного каучука с катализато¬
ром, сенсибилизатором и наполнителем в толуоле. Разрешающая
способность этого материала невелика и равна 25 лин/мм при
толщине 15-20 мкм, фотостабильность при 20 °С равна 360 ч,
стойкость при 20° С к 20 %-ным растворам хлорного железа
составляет 30 мин, едкого натра — 60 мин, серной кислоты -
60 мин, а к 10 %-ному раствору соляной кислоты — 60 мин.
Другим материалом является светочувствительный состав
ФСТ, представляющий собой композицию из сополимера мета-
криловой кислоты с винильными мономерами полиэфиракри-
лата, ингибитора и красителя. По внешнему виду — это однород¬
ная вязкая жидкость от синего до фиолетового цвета. Пленка
данного материала толщиной 15—20 мкм имеет разрешающую
способность 2,5 лин/мм и обладает стойкостью к растворителям
не менее 6 ч.
§ 26. ПРОЯВИТЕЛИ ДЛЯ ФОТО- И ЭЛЕКТРОНОРЕЗИСТОВ,
ЭМУЛЬСИЙ
Процессы проявления негативных и позитивных фоторезис¬
тов неодинаковы, так как существенно отличаются химические
49

реакции, протекающие в них при воздействии соответствующих
проявителей.
Проявление негативных фоторезистов — типичный физи¬
ко-химический процесс растворения полимерных материалов.
Поэтому в качестве проявителей в этом случае используют орга¬
нические растворители (толуол, хлорбензол, трихлорэтилен и
др.), при воздействии которых набухают облученные и растворя¬
ются необлученные участки пленки фоторезиста.
Проявление позитивных фоторезистов — более сложный
процесс, основанный на химической реакции взаимодействия
продуктов фотолиза нафтохинондиазидов и фенольных смол с
щелочными растворами и последующем удалении продуктов
реакции. В качестве проявителей в этом случае используют
сильно разбавленные водные растворы едкого кали, едкого
натра или тринатрийфосфата. Характерной особенностью прояв¬
ления позитивных фоторезистов является их чувствительность
к перепроявлению, т.е. к чрезмерному пребыванию в проявителе.
Это объясняется тем, что при длительном пребывания в прояви¬
теле необлученные участки пленки фоторезиста начинают хими¬
чески взаимодействовать с ним и постепенно растворяться.
Для проявления негативных фоторезис¬
тов наиболее широко используют смеси толуола с уайт-спири-
том в соотношении 1 : 1 и толуола с уайт-спиритом и диоксаном
в соотношении 1:1:1. Время проявления несколько минут.
Для проявления позитивных фоторезис¬
тов часто используют следующие смеси: 2 г тринатрийфосфата,
25 мл воды и 75 мл глицерина; 50 мл 5 %-ного тринатрийфос¬
фата и 2 мл 8 %-ного КОН; 8 г тринатрийфосфата, 300 мл глице¬
рина и 100 мл воды; 0,1 едкого натра и 100 мл воды; 0,5 г ед¬
кого кали и 100 мл воды. Время проявления не превышает не¬
скольких секунд.
Для проявления негативных электрон о-
резистов используют смеси таких растворителей, как
циклогексанон, хлорбензол, бутилацетат, изопропиловый спирт,
ксилол, диметилформамид и др.
Для проявления позитивных электрон о-
резистов ЭРП-1 и ЭЛП-9 используют смесь метил этил кетона
и изопропилового спирта, взятых в соотношении 1 : 2 или 1 : 3, а
также диметилформамид.
Для проявления светочувствительных эмульсий на основе
сухого коллодиона используют состав, в который входят гид¬
рохинон, метол, лимонная кислота, углекислый и бромистый
калий. В качестве примера можно привести проявитель, который
приготовляют следующим образом. Сначала готовят два раство¬
ра: первый из 7,5 г гидрохинона, 4,5 г лимонной кислоты
50

и 500 мл воды и второй — 1 %-ный раствор азотнокислого сереб¬
ра. Перед процессом проявления эти растворы смешивают в
соотношении 3:1. Для равномерного проявления слой эмульсии
на основе сухого коллодиона предварительно размягчают в
дистиллированной воде в течение 3 мин при 20 °С.
§ 27. РАСТВОРИТЕЛИ ДЛЯ ФОТО-
И ЭЛЕКТРОНОРЕЗИСТОВ
Растворители входят в состав фото- и электронорезистов и
играют важную роль в процессе создания рельефа рисунка,
оказывая существенное влияние на вязкость исходного матери¬
ала. При нанесении фоторезистов на поверхность пластин проис¬
ходит испарение растворителя. Кроме того, от выбора раствори¬
теля или их смеси зависит качество смачивания пластин, образо¬
вание пленки и ее структура. Повышенным поверхностным натя¬
жением характеризуются диметилформамид и монометиловый
эфир ацетатгликоля. Скорость испарения, или степень летучести,
является важной характеристикой растворителей для фото- и
электронорезистов. Так как растворители используют для окон¬
чательного удаления слоя фото- или электронорезиста с поверх¬
ности пластин после завершения процесса фото- или электроно-
литографии, выбор их влияет на полноту этого удаления.
При изготовлении фоторезистов применяют композиции
растворителей, позволяющие снижать поверхностное натяжение,
в результате чего значительно улучшается смачивание поверх¬
ности пластин. Так, при изготовлении фоторезистов ФН-11 и ФН-
103 в качестве растворителя используют смесь ксилола с толуо¬
лом в соотношении 2:1, фоторезистов ФП-330 и ФП-383 - смесь
диоксана с диметилформамидом, а фоторезиста ФП-626 - смесь
диметилового эфира с диэтиленгликолем и диметилформами¬
дом. При изготовлении электронорезиста ЭРП в качестве раство¬
рителя используют 2-метаксиэтиловый эфир уксусной кисло¬
ты, а ЭЛП — смесь этилцеллозольва, толуола и бутилацетата.
После завершения процесса образования рельефа рисунка
позитивные фоторезисты наиболее легко удаляются в ацетоне,
диоксане, диметилформамиде или водных растворах щелочей,
а также в смеси из диметилформамида, диметилсульфоксида,
ацетона и изопропилового спирта. Однако процесс удаления
позитивного фоторезиста значительно усложняется и вызывает
необходимость применения дополнительных средств, если ему
предшествовала достаточно высокая температура обработки.
Негативные фоторезисты в растворителях только набухают.
Удаление их с поверхности пластин требует механического воз¬
действия. Наиболее хорошо негативные фоторезисты удаляются
51

в хлорированных углеводородах, в которых они при 100—
130 °С набухают, а затем легко механически снимаются. Кроме
того, негативные фоторезисты рекомендуется удалять в смеси
из тетрахлорэтилена, хлористого метилена и дихлорэтана.
Для интенсификации процесса удаления фоторезистов реко¬
мендуется ультразвуковое воздействие на промывочную ванну.
§ 28. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТОШАБЛОНОВ
Фотошаблон - это плоскопараллельная пластина из прозрачного
материала, на которой имеется рисунок, состоящий из прозрачных и
непрозрачных для света определенной длицы волны участков, многократ¬
но повторенных в пределах рабочего поля и образующих топологию
прибора или группы приборов. Фотошаблон является основным инстру¬
ментом, с помощью которого формируют микроизображение сколь
угодно сложных рисунков в слое фоторезиста, нанесенном на поверхность
исходной пластины.
Основу фотошаблона обычно изготовляют из стекла, а рису¬
нок на его поверхности получают фотолитографией. В зависи¬
мости от материала, из которого создан рисунок на стеклянной
пластине, различают эмульсионные, металлизированные и цвет¬
ные (транспарентные) фотошаблоны (рис. 15,а-в).
Рис. 15. Фотошаблоны:
а — эмульсионный, б — металлизированный, в - цветной (транс¬
парентный) ; 1 - стеклянная подложка, 2, 3 - темные и светлые
места фотоэмульсии, 4 — слой хрома, 5 — слой оксида железа
Материалом для изготовления стеклянных пластин служит
оптическое боросиликатное стекло марки К-8, не имеющее ино¬
родных включений и пузырей, обладающее достаточной механи¬
ческой прочностью и широким спектром пропускания как ви¬
димого, так и ближнего ультрафиолетового света. Показатель
преломления этого стекла 1,5, а средняя дисперсия 0,008. После
варки для придания стеклу определенных геометрических раз¬
меров его формуют. К стеклянным пластинам фотошаблонов,
которые имеют квадратную форму (70X70X3, 76X76X3,
102X102X3 и 127X127X3 мм), предъявляют повышенные требо¬
вания по качеству обработки поверхности и точности геометри-
52

ческих размеров. Отклонение от плоскостности должно быть
не более 3 мкм в рабочей части пластины.
В эмульсионных фотошаблонах участки
рисунка максимальной и минимальной оптической плотности
создаются в слое эмульсии обычным фотоспособом. При этом
оптическая плотность прозрачного участка равна сумме оптичес¬
ких плотностей стеклянной подложки и эмульсионного слоя, не
содержащего серебра.
В металлизированных фотошаблонах уча¬
стки рисунка создают в тонком слое хрома. Минимальная опти¬
ческая плотность прозрачных участков таких фотошаблонов
равна оптической плотности стекла, а максимальная соответст¬
вует практически непрозрачным металлическим слоям хрома.
Тонкие слои хрома высокой чистоты напыляют на стеклянные
пластины в вакуумно-термических установках. Толщина слоя
хрома не превышает 1 мкм и обычно равна 0,1-0,3 мкм.
В цветных фотошаблонах рельеф рисунка выпол¬
няется в виде пленки оксида железа. Минимальная оптическая
плотность прозрачных участков таких фотошаблонов, как и у
металлизированных, равна оптической плотности стекла, а мак¬
симальная соответствует практически непрозрачным для ульт¬
рафиолетового света пленкам оксида железа. Получают тонкие
(0,2—0,25 мкм) пленки оксида железа вакуумно-термическим
испарением оксида железа или термическим разложением пента¬
карбонила железа Fe(CO)5 в атмосфере кислорода.
Процесс изготовления металлизированных и цветных фото¬
шаблонов включает операции фотолитографии с использованием
различных фоторезистов и вытравливания в пленках хрома или
оксида железа микрорельефов рисунков соответственно в вод¬
ных растворах соляной и фосфорной кислот. Удаляют фоторе¬
зист на установках фреоновой очистки или ионно-плазменным
методом.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие виды фоторезистов вы знаете и какими свойствами они
должны обладать?
2.	Что такое рентгенорезисты и электронорезисты?
3.	Какие материалы используют для приготовления фоторезис¬
тов?
4.	Какие материалы используют для приготовления проявителей?
5.	Из каких материалов изготовляют эмульсионные, металлизирован¬
ные и цветные фотошаблоны?

ГЛАВА ПЯТАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОДНЫХ ВЫВОДОВ
§ 29. АКЦЕПТОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Полупроводниковые материалы после очистки от посторон¬
них примесей в зависимости от необходимости получения требу¬
емых электрофизических параметров (дырочного или электрон¬
ного типа электропроводности) легируют акцепторными или до-
норными элементами (примесями).
Акцепторными элементами для германия и кремния явля¬
ются алюминий, галлий, бор и индий.
Алюминий А1 — металл серебристо-белого цвета, обладаю¬
щий хорошими механической прочностью и ковкостью, большой
коррозионной стойкостью и высокими электро- и теплопровод¬
ностью. Атомная масса 26,98. Плотность при 20 °С равна
2,7	г/см3, температура плавления 660°С. Давление паров при
1200 °С равно 0,13 Па. Основной рудой алюминия являются
бокситы.
На воздухе алюминий легко окисляется и на его поверхнос¬
ти образуется тонкая, но прочная пленка оксида, которая пред¬
охраняет металл от дальнейшего окисления и делает его стойким
к коррозии.
Технический алюминий чистотой 99,9 % легко разъедается
соляной кислотой; на алюминий высокой чистоты (99,99 %)
соляная кислота не действует. Серная кислота воздействует на
алюминий слабее, чем соляная. С концентрированной азотной
кислотой алюминий не реагирует, однако разбавленная азотная
кислота его растворяет. В смеси плавиковой и азотной кислот
алюминий растворяется медленно. Едкие щелочи вступают с
алюминием в реакцию, в результате которой выделяется водо¬
род и образуются легкорастворимые в воде алюминаты. Расплав¬
ленный алюминии очень активно и легко реагирует с металлами.
При температуре выше 1000 °С алюминий сплавляется даже с
графитом и кварцем, а выше 577 °С — с кремнием. Сплавы алю¬
миния с кремнием называют сшуминами. Алюминий высокой
чистоты широко используется в качестве электродного мате¬
риала при создании сплавных контактов на кремнии.
Галлий Ga — твердый и хрупкий блестящий материал с
серо-зеленоватым оттенком, имеющий необычную для металлов
ромбическую кристаллическую решетку. Способность к пласти¬
ческой деформации проявляется у галлия слабо. В большей
степени он склонен к переохлаждению и кристаллизуется с
54

увеличением объема. Галлий не образует собственных минера¬
лов — это типичный рассеянный элемент. Обычно он содержится
в алюминиевых и цинковых рудах. Атомная масса 69, 72. Плот¬
ность при 20 °С равна 5,9 г/см3. Температура плавления 30 °С.
Давление паров при 572 °С равно 1,3 • 10“5 Па.
В сухом воздухе при комнатной температуре галлий не
окисляется, а при нагревании начинает энергично окисляться.
Галлий устойчив в воде, растворяется в кислотах (лучше всего в
смеси соляной и азотной), а в едких щелочах растворяется мед¬
ленно с выделением водорода. В соединениях галлий бывает од¬
но-, двух- и трехвалентным; наиболее устойчивы трехвалентные
соединения галлия. В полупроводниковой технологии галлий ис¬
пользуется как акцепторная примесь при легировании германия
и кремния, а также для образования соединений типа АШВУ.
Бор В бывает двух разновидностей: аморфный в виде
порошка бурого цвета и кристаллический в виде кристаллов бе¬
лого цвета. Главные природные соединения бора — борная кис¬
лота Н3ВО3 и различные борсодержащие соли, из которых наи¬
более применимы бура Na2B407- Н20, ашарит 2 Mg • В203 • Н20
и колеманит 2СаО • 2 В203 • 5 Н20. Бор в виде борного ангид¬
рида В203 извлекают из минералов, а затем восстанавливают
натрием или магнием. Атомная масса 10,81. Плотность аморф¬
ного бора 1,73 г/см3, а кристаллического — 2,34 г/см3. Темпе¬
ратура плавления 2000-2500 °С. Давление паров при 1400 °С
равно 1,3 • 10"6 Па.
При комнатной температуре бор инертен: не вступает в реак¬
цию с водой, не окисляется на воздухе и не соединяется с дру¬
гими элементами. В концентрированных щелочах бор растворя¬
ется, выделяя водород. При высокой температуре химическая
активность бора резко увеличивается и он легко соединяется с
галогенами и углеродом, образуя соответственно соли галогено¬
водородных кислот и карбид бора. Бор обладает высокой пре¬
дельной растворимостью в германии и кремнии. Так, его пре¬
дельная растворимость в кремнии может достигать Ю20 см~3,
что намного больше, чем у других акцепторных элементов.
§ 30. ДОНОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Донорными элементами для германия и кремния являются
сурьма, фосфор и мышьяк.
Сурьма Sb — хрупкое вещество, легко измельчающееся в
порошок, имеет несколько аллотропических форм. В самород¬
ном состоянии встречается редко. В природе наиболее распрост¬
ранен сурмяный блеск Sb2S3 — минерал, из которого добывают
сурьму. Атомная масса 121,75. Плотность 6,6 г/см3. Температу-
55

ра плавления равна 630 °С. Давление паров при 380°С равно
1,3 • 10‘3 Па.
При комнатной температуре сурьма не окисляется, а при на¬
гревании сгорает с образованием Sb203. В разбавленных соляной
и серной кислотах не растворяется, в концентрированной соля¬
ной кислоте растворяется медленно, а в концентрированной
азотной — быстро. Ни в воде, ни в органических растворителях
не растворяется. Со многими металлами образует сплавы. При
нагревании до температуры плавления сурьма окисляется слабо,
а после плавления — гораздо быстрее. При плавке в открытой
атмосфере образуется летучий оксид сурьмы Sb203.
Сурьму применяют для легирования германия и кремния, а
также получения соединений типа АШВ^. Предельная раствори¬
мость сурьмы в германии 1019 см"3, а в кремнии 5 • 1019 см“3.
Фосфор Р — элемент, имеющий в свободном состоянии не¬
сколько аллотропических форм, из которых применяют две:
белый фосфор (кристаллы) и красный (порошок). При быст¬
ром охлаждении паров фосфора получается белый фосфор,
который при хранении на свету самопроизвольно переходит в
более устойчивую форму — красный фосфор. В свободном
состоянии фосфор в природе не встречается, а содержится в раз¬
личных минералах. Атомная масса 30,97. Плотность белого фос¬
фора 1,8 г/см3, а красного 2,3 г/см3. Температура плавления
белого фосфора 44 °С. Красный фосфор, не плавясь, переходит
в пар. Давление паров белого фосфора при 500 °С равно 2,4 X
X 106 Па, а красного - 106 Па.
В воде фосфор не растворяется. Белый фосфор обычно
хранят под водой и по возможности в темноте. В отличие от
красного он очень ядовит и легче вступает в реакции с другими
элементами. Наиболее характерен оксид фосфора — фосфорный
ангидрид Р205, представляющий собой белый аморфный поро¬
шок без запаха, энергично поглощающий влагу. Поэтому его
часто применяют в качестве осушителя. При взаимодействии
Р205 с водой образуются следующие кислоты: метафосфорная
НРОз, пирофосфорная Н4Р207 и ортофосфорная Н3Р04.
В полупроводниковом производстве используют элементар¬
ный красный фосфор, а также его соединения — фосфорный ан¬
гидрид и ортофосфорную кислоту. Красный фосфор возгоняется
без плавления при температуре около 420 °С. Фосфор имеет
высокую предельную растворимость в германии (2 • 10	см”3)
и кремнии (2 • 1021 см“3). Высокая летучесть не позволяет вво¬
дить фосфор непосредственно в расплав полупроводника, поэто¬
му используют сплавы или лигатуры. Фосфор является основ¬
ным легирующим донорным элементом для германия и кремния
и применяется также для получения соединений типа ADIBV.
56

Мышьяк As — хрупкое кристаллическое вещество серо-
стального цвета, имеющее на изломе металлический блеск, быст¬
ро тускнеющий на воздухе. Атомная масса 74,92. Плотность
~5,7 г/см3. Температура плавления в запаянной ампуле прибли¬
зительно 820 °С. Давление паров при 300 °С равно 1,3 Па. При
нагревании выше 600 °С при атмосферном давлении мышьяк
возгоняется, не плавясь.
Мышьяк — элемент с преобладанием неметаллических
свойств — характеризуется средней химической активностью.
При нагревании на воздухе образует As203. Элементарный
мышьяк не ядовит. Однако многие соединения, особенно трех¬
валентного мышьяка, являются сильнейшими ядами и обра¬
щаться с ними надо, соблюдая правила техники безопасности.
Как легирующий донорный элемент мышьяк обладает высокой
предельной растворимостью в германии (2 • Ю20 см”3) и крем¬
нии (1,8 * 1021 см“3). Применяют его также для получения
соединений типа AmBv.
§ 31. ДИФФУЗАНТЫ
В производстве изделий микроэлектроники для создания
областей с различными электрофизическими свойствами прово¬
дят диффузию примесных элементов в исходную полупроводни¬
ковую пластину. Используемые для проведения диффузионных
процессов материалы называют диффузантами. В зависимости от
исходного состояния диффузанты могут быть твердыми, жид¬
кими, газообразными и стеклообразными. К диффузантам
предъявляют высокие требования по чистоте. Основными пара¬
метрами диффузантов являются коэффициент диффузии
D (см2/с), энергия активации Е (эВ), а также предельная раст¬
воримость N (см-3), которая при диффузионном процессе из
постоянного источника соответствует поверхностной концентра¬
ции введенной примеси.
Коэффициент диффузии — это скорость, с которой диффун¬
дирующая примесь способна проникать в глубь полупроводни¬
кового кристалла (рис. 16).
Энергия активации диффузионного процесса — это энергия,
которую надо сообщить атому для совершения им единичного
перехода в кристаллической решетке полупроводника.
Предельная растворимость, или поверхностная концентра¬
ция, — это количество диффундирующей примеси, которое
может раствориться в поверхностном слое полупроводника при
определенных условиях диффузионного процесса (рис. 17).
Твердыми диффузантами являются чистые ме¬
таллы, их оксиды, нитриды, ангидриды, соли, сплавы и стекло-
57

образные композиции. В зави¬
симости от способа проведе¬
ния диффузии и исходного
полупроводникового матери¬
ала выбирают тип твердого
диффузанта. Так, для прове¬
дения диффузии бора исполь¬
зуют борный ангидрид В203,
нитрид бора BN и борсо¬
держащие соли, например
Na2B407- Н20. При диффузии
алюминия применяют чистый
алюминий в виде осажденного
тонкого слоя, а также его
соли Al2 (SO4 )з • Н2 О и
A1(N03)3 Н20. Основным
твердым диффузантом при
проведении диффузии галлия
является Ga203. Для прове¬
дения .диффузии индия ис¬
пользуют элементарный индий
и его оксид 1п203. При диф¬
фузии фосфора используют в
основном фосфорный ангид¬
рид Р205, нитрид фосфора
P3N5 и реже — соли, например
(NH4) 2 НРО4. Диффузию
мышьяка ведут, как правило,
в запаянных ампулах с ис¬
пользованием элементарного
мышьяка или As2 03. При
диффузии сурьмы используют
сурьмянистый ангидрид или
элементарную сурьму.
Жидкие диффузан-
т ы, преимущество которых
состоиъ в том, что их можно
использовать при всех мето¬
дах проведения диффузии,
представляют собой растворы и суспензии, в которых присутст¬
вуют атомы диффундирующих элементов. Так, для диффузии
бора используют 2-3 %-ный спиртовой или водный раствор бор¬
ной кислоты Н3В03. Широко применяют также жидкие диффу-
занты в виде галогенидов бора, фосфора, галлия, сурьмы и
мышьяка, большинство из которых хорошо растворимо в воде.
58
Рис. 16. Зависимости коэффициен¬
тов диффузии примесей в германии
(а), кремнии (б) и арсениде галлия
(в) от температуры

Рис. 17. Зависимости предельной растворимости некоторых при¬
месей в германии (а) и кремнии (б) от температуры
Основными жидкими диффузантами являются треххлористый
фосфор РС13, хлороксид фосфора POCI3, трехбромистые бор
ВВг3 и галлий GaBr3, треххлористые бор ВС13, мышьяк AsCl3 и
галлий GaCl3.
Газообразными диффузантами являются сме¬
си различных газов, содержащие диффундирующую примесь.
Как правило, диффузант состоит из газа-носителя (аргон, азот
59

и водород) и газа-источника примеси (диборан В2Н$, фосфин
РН3, арсин AsH3 и стибин SbH3).
Газообразные диффузанты являются вредными веществами. Пре¬
дельно допустимая концентрация в рабочих помещениях диборана
составляет 0,005, фосфина - 0,1, арсина — 0,3, а стибина - 0,05 мг/м3.
Стеклообразные диффузанты обычно состоят
из активных и неактивных компонентов, а также инертных
наполнителей. Активными компонентами являются оксиды
бора, фосфора, галлия, индия, мышьяка и сурьмы, а неактивны¬
ми — оксиды элементов IV группы (кремния, германия, олова,
свинца), придающие диффузантам свойства стекла. Инертными
наполнителями являются оксиды щелочных металлов (натрия,
калия, кальция и др.).
Типичные акцепторные стеклообразные диффузанты — бор¬
ные стекла следующего состава; 30% В203, 10% А1203, 50%
Si02 и 10 % ВаО; 13 % В203, 2 % А1203, 80 % Si02 и 5 % Na20.
Донорный диффузант — фосфорно-силикатное стекло, состоя¬
щее из 34,9% Р205, 25 % А1203, 14,7% Si02 и 25,4% Na20.
Кроме того, стеклообразные диффузанты образуются при нане¬
сении на поверхность кремния, покрытую слоем Si02, борного
или фосфорного ангидридов. При нагревании до высоких темпе¬
ратур (температур диффузии) в первом случае образуется боро¬
силикатное, а во втором — фосфорносиликатное стекло.
§ 32. ЭЛЕКТРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Для создания сплавных р-и-переходов, омических контактов
и межэлектродных соединений используют как чистые металлы,
так и сплавы. Чистыми металлами являются индий и алюминий,
соответственно применяемые для получения контактов на гер¬
мании и кремнии. Однако чистые металлы не обеспечивают вы¬
сокие электрические свойства сплавных контактов, поэтому в
полупроводниковой технологии широко применяют различные
электродные сплавы.
Электродные сплавы для германия изготовляют исходя из
требований максимальной температуры образования р-п-пере¬
хода. В основу электродного сплава входят олово, свинец и
индий. При выборе основы электродного сплава руководству¬
ются температурным диапазоном вплавления. Так, при темпера¬
туре от 300 до 450 °С в качестве основы берут олово, от 450 до
600 °С — индий и от 600 до 750 °С — свинец. Кроме того, часто
используют сплавы свинец — индий, свинец — олово, свинец —
индий — олово. Для хорошего смачивания германия в основу
сплава вводят 1-3 % цинка. Добавками электродных сплавов
60

являются донорные и акцепторные примеси. При создании кол¬
лекторных /?-«-переходов на германии «-типа используют следу¬
ющие сплавы: In — Zn (1 %), In — Au (3 %), Pb — In (20 %). При
создании эмиттерных ^-«-переходов индий в качестве легирую¬
щей примеси не дает требуемых электрофизических свойств
из-за малой предельной растворимости в германии. Поэтому в
электродные сплавы вводят акцепторные примеси, обладающие
более высокой растворимостью, например галлий. В качестве
эмиттерных применяют следующие сплавы: Pb - In - Ga, In —
Ga (0,5 %); In - Au (1 %) - Ga (0,5 %); Fo - Ag (3 %) - Ga
(1 %). В качестве донорных элементов используют сурьму или
мышьяк: Pb — Sb (1 %); Sn — Pb — Sb (2 %); Pb — As (3 %);
Sn — As (4%).
Электродные сплавы для кремния имеют более высокую
температуру вплавления, чем для германия. Для создания
контактов широко используют алюминий с добавками бора
и галлия, а также сплавы Pb — In (5 %) - Ni (3 %) и Pb - Ag
(15 %) — Sb (1 %).
Электродные сплавы для соединений типа А В изготов¬
ляют на основе золота или сплава олово - свинец, в который
в зависимости от необходимого типа электропроводности полу¬
проводникового соединения добавляют в одном случае теллур
или селен, а в другом - цинк или кадмий.
Для изготовления омических контактов к соединениям
AinBv электропроводности «-типа используют сплавы золота с
кремнием (10%) или германием (20%), а р-типа — золота с
цинком (25 %).
Пленки из чистых металлов и сплавов используются для из¬
готовления омических контактов к активным элементам ИМС.
Невыпрямляющие (омические) контакты характеризуются низ¬
ким сопротивлением и линейностью в рабочем диапазоне токов.
Для планарных кремниевых структур наиболее распространены
вследствие простоты и технологичности контакты из чистого
алюминия. Необходимо отметить, что сопротивление алюминие¬
вого контакта на кремнии «-типа на два порядка выше, чем на
кремнии р-типа. Поэтому иногда для получения омического кон¬
такта на кремнии «-типа используют сложные многослойные
пленочные композиции из чередующихся слоев металлов:
хром - золото, титан - никель - золото, титан - платина - зо¬
лото, титан - палладий - золото, никель — золото.
Для изготовления контактных площадок на кристаллах
ИМС используют однослойные пленки алюминия или двухслой¬
ные из хрома и золота, причем хром является нижним слоем,
а золото - верхним. Слой хрома улучшает адгезию к полупро¬
водниковому материалу слоя золота, который необходим для
61

с» здания термокомпрессионного соединения с внешним
выводом.
Важнейшее применение металлов и сплавов — создание метал¬
лических токопроводящих шин между элекродами активных и
пассивных элементов ИМС. Соединительные шины принято назы¬
вать межэлементными соединениями, или межсоединениями. За¬
нимаемая ими площадь сравнима с площадью активных и пассив¬
ных элементов. Металл или сплав, который используют для
межсоединений, должен обладать хорошим сцеплением с повер¬
хностью пластины и иметь низкое электрическое сопротивление.
Основным металлом, используемым для межсоединений в
кремниевых ИМС, является алюминий в виде пленок толщиной
не более 1 мкм и шириной 10—15 мкм. Удельное сопротивление
таких пленок около 10” 6 Ом • см, что на 10 % больше сопротив¬
ления монолитного (непленочного) алюминия. Кроме межэле-
ментных имеются межэлектродные соединения между контакт¬
ными площадками, расположенными на поверхности полупро¬
водниковых пластин, и электродами в основании корпусов.
Выполняют эти соединения термокомпрессией или УЗ-сваркой,
используя тонкую проволоку из чистого золота или алюминия
диаметром от 20 до 50 мкм.
Рассмотрим основные свойства материалов, используемых
для создания р-и-переходов, омических контактов, контактных
площадок и межсоединений.
Индий In — очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
В чистом виде в природе не встречается и относится к числу рас¬
сеянных элементов. Добывается из свинцовых, цинковых, оло¬
вянных и медных руд. Атомная масса 114, 82. Плотность 7,3
г/см3. Температура плавления 155 °С. Давление паров при
500° С равно 1,3 • 10”5 Па. На воздухе индий не окисляется, а
при нагревании сгорает, образуя 1п203. Вода и растворы щело¬
чей на индий не действуют, в холодных кислотах он растворя¬
ется медленно, а в горячих — быстро. Промышленностью выпус¬
кается несколько марок индия: ИнОООу (99,9995 %), ИнООО
(99,9992), ИнОО (99,9990), ИнО (99,998), Ин1 (99,995) и Ин2
(99,96%).
Олово Sn — серебри сто-белый металл, встречающийся в
самородном состоянии, а также в рудах. Атомная масса 118,69.
Плотность 7,5 г/см3. Температура плавления 230 °С. Давление
паров при 1000 °С равно 1,3 • 10”2 Па. При обычных условиях
олово химически устойчиво. Не реагирует с водой, медленно
растворяется в разбавленных кислотах. На воздухе окисляется
только при температуре выше 150 ° С.
Свинец РЬ — синевато-серый пластичный металл, добывае¬
мый из минерала свинцового блеска. Атомная масса 207,2. Плот-
62

ность И г/см3. Температура плавления 330°С. Давление паров
при 1100 °С равно 67 Па. При нагревании сильно испаряется, а на
воздухе окисляется. При длительном нагреве выше температуры
плавления может целиком перейти в оксид свинца. Окисляемость
свинца вызывает трудности при хранении электродных сплавов
на его основе. К действию разбавленных серной и соляной кис¬
лот свинец устойчив, в горячих концентрированных этих кисло¬
тах быстро растворяется, а в смеси азотной и плавиковой кислот
покрывается оксидной пленкой. Медленно растворяется в раст¬
ворах щелочей. С металлами образует многочисленные сплавы.
Золото Аи — драгоценный металл желтого цвета, тягучий и
ковкий. В природе встречается в самородном состоянии. Атом¬
ная масса 196,96. Плотность 19 г/см3. Температура плавления
1063 °С. Давление паров при 1100 °С равно 1,3 • 10” 2 Па. Золо¬
то обладает большой химической стойкостью: на воздухе устой¬
чиво, с кислородом, водородом, азотом и углеродом не соединя¬
ется даже при высоких температурах. Растворяется только в
царской водке — смеси соляной и азотной кислот, взятых в соот¬
ношении 1:3. Золото хорошо сплавляется с германием, крем¬
нием и соединениями типа A111 Bv.
Серебро Ag — драгоценный металл белого цвета, пластичный.
В природе встречается в самородном состоянии. Атомная масса
107,86. Плотность 10,5 г/см3. Температура плавления 960 °С.
Давление паров при 750°С равно 1,3 • 10”3 Па. По сравнению
с другими металлами серебро обладает наивысшими тепло- и
электропроводностью. Химическая активность серебра невели¬
ка: в обычных условиях оно не окисляется, а при повышенных
температурах темнеет из-за образования оксида серебра. Не
взаимодействует с азотом, углеродом и щелочами, легко раст¬
воряется в азотной и горячей концентрированной серной кис¬
лотах. С металлами серебро образует многочисленные сплавы.
Никель Ni — металл серебристо-серого цвета с сильным
металлическим блеском. В природе встречается в сернистых,
силикатных и серно-мышьяковистых рудах. Атомная масса
58,70. Плотность 9 г/см3. Температура плавления 1453 °С.
Давление паров при 1000 °С равно 9 • 10“6 Па. При комнатной
температуре никель химически мало активен, а при повышенной
(более 400° С) в присутствии кислорода окисляется. Легко
растворяется в азотной кислоте, с трудом в серной и соляной
и быстро в царской водке и смеси азотной и плавиковой кислот.
Устойчив к щелочам.
Хром Сг — твердый металл серо-стального цвета, добывае¬
мый из минерала хромистого железняка. Атомная масса 51,99.
Плотность 7,1 г/см3. Температура плавления 1903 °С. На воз¬
духе хром не окисляется и не реагирует с азотной кислотой.
63

Ортофосфорная кислота растворяет его только при 120 °С.
Хром хорошо травится в смеси концентрированной серной
кислоты с водой, взятых в соотношении 1:1.
Цинк Zn — металл синевато-белого цвета. В природе широко
распространен в виде минерала сфалерита (ZnS — цинковая
обманка). Атомная масса 65,38. Плотность 7,1 г/см3. Темпе¬
ратура плавления 419° С. Цинк обладает явно выраженными
амфотерными свойствами. Хорошо растворяется в соляной,
азотной и серной кислотах, а также растворах щелочей.
Титан Ti — прочный пластичный металл, добываемый из мине¬
рала рутила. Атомная масса 57,90. Плотность 4,5 г/см3. Темпера¬
тура плавления 1665 °С. Титан исключительно химически стоек.
Палладий Рd — серовато-белый мягкий и ковкий металл,
добываемый из медно-никелевых руд. Атомная масса 106,4.
Плотность 11,9 г/см3. Температура плавления 1552 °С.
Платина Pt - серовато-белый блестящий металл. В природе
встречается в самородном состоянии (ферроплатина). Атомная
масса 195,09. Плотность 21,4 г/см3. Температура плавления
1769 °С. Платина обладает высокой химической стойкостью:
травится только в царской водке и взаимодействует с бромом.
Вольфрам W — самый тугоплавкий металл. Атомная масса
183,85, плотность 19,1 г/см3. Температура плавления 3380 °С.
Молибден Мо — тугоплавкий металл. Атомная масса 95,94.
Плотность 9,2 г/см. Температура плавления 2630 °С.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие требования предъявляют к донорным и акцепторным эле¬
ментам, применяемым для легирования полупроводников?
2.	Какие диффузанты вы знаете?
3.	Что такое электродный сплав и какие электродные сплавы приме¬
няют для германия и кремния?
4.	Чем отличаются электродные сплавы для создания омических
контактов от электродных сплавов для создания р-и-переходов?
ГЛАВА Ш ЕСТАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ /W-ПЕРЕХОДОВ
§ 33. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Состояние поверхности полупроводникового материала, на
которую имеет выход р-и-переход (степень ее совершенства, ка¬
чество обработки, защита от внешней среды), оказывает более
сильное влияние на электрические параметры изделий микро¬
электроники, чем физические свойства объема полупроводника,
в котором расположен ^-«-переход. Если часть р-и-перехода,
64

расположенная внутри полупроводникового кристалла, надежно
защищена от внешних воздействий окружающей среды, то часть,
выходящая на поверхность кристалла, не может без допол¬
нительной защиты противостоять им. При длительной работе
прибора происходит изменение состояния поверхности полупро¬
водникового материала, обусловленное характером окружаю¬
щей среды и ее воздействием. Поэтому от качества защиты по¬
верхности полупроводникового кристалла с р-я-переходом за¬
висят не только электрические параметры готовых изделий, но
и их надежность, а также срок службы.
Материалами, используемыми для защиты р-и-переходов,
являются лаки, эмали, компаунды, оксидные и нитридные плен¬
ки кремния, а также стекла, которые должны обладать следую¬
щими свойствами:
иметь хорошую адгезию к поверхности полупроводниковой
пластины (кристалла) и металлизированным пленкам, находя¬
щимся на ней;
не вызывать больших механических напряжений в припо¬
верхностном слое кристалла;
быть влаго- и газонепроницаемыми;
иметь высокие удельные электрическое сопротивление и
электрическую прочность;
выдерживать резкие смены температур;
иметь низкую химическую активность и не взаимодейство¬
вать с кристаллом;
сохранять защитные свойства в широком интервале темпе¬
ратур (от -60 до +125 ° С).
§ 34. ЗАЩИТНЫЕ ЛАКИ, ЭМАЛИ И КОМПАУНДЫ
Для защиты активных элементов пластин и кристаллов от
внешних воздействий используют покрытия в виде тонких сло¬
ев специальных лаков, эмалей и компаундов (табл. 7). Эти по-
Таблица 7. Свойства лаков, эмалей и компаундов
Мате¬
риал
Режим сушки
время,
ч
ратура,
°с
Удельное сопро¬
тивление,
Ом • см, при тем¬
пературе, ° С
20
200
Диапазон
рабочих
темпера¬
тур, С
Электри¬
Тер-
ческая
мо-
проч¬
стой-
ность,
кость,
кВ/мм
°С
Лаки
К-1
4
150
10'2
ю10
-60 до 200
50
200
К-55
3
150
ю13
ю12
-60 до 150
50
180
К-57
1
200
1014
1012
-60 » 180
50
200
МК^У
2
180
1014
1010
-60 » 180
70
200
КО-938
1
150
1014
1012
-60» 180
75
200
КО-961
1
20
ю14
ю12
-60» 150
85
150
65

Продолжение табл. 7
Режим сушки
Мате-	темпе-
риал время, раТура?
°С
АС-539
4
125
Эмали
1014 ю13
-60 »
50
20
150
ЭП-274
1
150
ю12
ю10
-60 »
125
15
140
РПЭ-401
5
200
ю14
1012
-60 »
150
30
150
ЭС-50
2
180
ю14
ю12
-60»
125
20
150
МБК-1
10
100
Компаунды
1014 1012
-60 »
125
15
150
МБК-3
12
80
1013
ю12
-60 »
125
25
150
КЛТ-30
5
150
1013
10й
-60 »
200
40
200
ГК
5
125
1014
ю12
—60 »
200
25
200
гкн
5
125
ю15
1013
-60 »
200
25
200
крытия сцепляются с поверхностью полупроводниковой пласти¬
ны (кристалла), тем самым предотвращая доступ водяных
паров и кислорода к ^-«-переходам, и в основном используются
для защиты сплавных, сплавно-диффузионных, мезасплавных,
мезадиффузионных и других непланарных структур.
Наряду с лаками, эмалями и компаундами для защиты по¬
верхности кристаллов применяют кремнийорганические вазе-
лины КВ-1, КВ-2, КВ-2 А и КВ-3 в сочетании с влаго поглотите¬
лями, которые обладают высокими электроизоляционными
свойствами. Удельное сопротивление их при 20° С равно
1014	Ом • см, а при 150 °С - 1012 Ом • см, электрическая проч¬
ность составляет 15 кВ/мм. Кроме того, вазелины не вызывают
механических напряжений в полупроводниковом кристалле,
что является их достоинством.
§ 35. ОКСИДНЫЕ И НИТРИДНЫЕ ПЛЕНКИ КРЕМНИЯ
Защитные оксидные Si02 и нитридные Si3N4 пленки крем¬
ния наносят при планарной технологии изготовления полупро¬
водниковых приборов и ИМС на поверхность полупроводнико¬
вых пластин до начала создания р-и-переходов. Локальная диф¬
фузия примеси через окна в защитной пленке позволяет изоли-
66
Удельное сопро¬
тивление,
Ом • см, при
температуре, С
20
200
Диапазон
рабочих
темпера¬
тур, °С
Электри¬
ческая
проч¬
ность,
кВ/мм
Тер-
мо-
стой-
кость,
°С

ровать выход р-и-перехода на поверхность кристалла и тем са¬
мым защитить его от окружающей среды.
Оксид кремния представляет собой кварцевое стекло, обла¬
дает высокими диэлектрическими свойствами, химически стоек
к многим кислотам, за исключением плавиковой, при взаимо¬
действии с которой образуется кремниевая кислота. Раствори¬
мость Si02 в соляной и серной кислотах незначительна. Более
интенсивно он реагирует со щелочами и расплавленными метал¬
лами (литием, натрием, калием, кальцием и др.). Оксид крем¬
ния имеет очень низкий КТР, который, например, при 20 °С
равен 5 • 10“7 1/°С. Свойства пленок оксида кремния значи¬
тельно зависят от способа получения.
На кремниевых пластицах пленки оксида кремния получают
термическим окислением кремния при 1100—1200 °С в атмосфе¬
ре влажного или сухого кислорода. При получении пленок Si02
во влажном кислороде большую роль играет диффузия воды
через слой оксида к поверхности чистого кремния. На структур¬
ное формирование пленки Si02 оказывает влияние образующий¬
ся в процессе реакции окисления кремния водород, который
приводит к образованию в ней гидроксильных групп (ОН). При
окислении кремния в сухом кислороде водород и пары воды
отсутствуют, что приводит к формированию пленки без гидро¬
ксильных групп (ОН). На другие полупроводниковые материа¬
лы (германий и соединения типа АШВУ) пленки Si02 осаждают
пиролитическим разложением кремнийорганических соединений
(табл. 8).
Таблица 8. Свойства кремнийорганических соединений
Материал
Химическая
формула
Моле¬
куляр¬
ная
масса
Температура, °С
кипе¬
ния
разло¬
жения
Тетраэтоксисил ан
Si(OC2H5)4
208
167
728-840
Этилтриэтоксисилан
C2H5Si(OC2H5)3
192
161
650-750
Амилтриэтоксисилан
СвНг1йЦОСлНл)9
234
198
600-740
Винилтриэтоксисилан
CH2CHSi(OC2Hs)3
190
160
600-700
Фенил триэтоксисилан
C6H5Si(OC2H5)3
240
234
610-750
Диметил диэтокси¬
сил ан
(СН3)2 Si(OC2Hs)2
148
Ш
760-900
Нитрид кремния применяют для защиты и пассивации повер¬
хности полупроводниковых пластин потому, что его пленки
представляют собой надежный барьер для диффузии молекул
67

воды, газов и ионов натрия. Пленки Si3N4 выращивают при
более низких температурах, чем пленки Si02, используя следую¬
щие реакции химического осаждения при взаимодействии с
аммиаком NH3 силана SiH4, тетрахлорида кремния SiCl4 или
дихлорсилана SiCl2H2, а также силана с гидразином SiH4 + N2H4
и тетрабромида кремния SiBr4 с азотом.
Химически осажденный нитрид кремния в интервале темпе¬
ратур от 700 до 900 °С это аморфный диэлектрический матери¬
ал, содержащий до 8 % водорода. Атомы водорода в пленке
Si3N4 образуют связи как с атомами азота, так и с атомами
кремния. Количество связанного водорода зависит от темпера¬
туры осаждения и соотношения реагентов в газовой фазе. Боль¬
шая концентрация водорода обычно имеет место при получении
пленок при низких температурах и при довольно высокой кон¬
центрации аммиака в газовой смеси. Скорость травления пленок
Si3N4 в разбавленных растворах плавиковой кислоты — менее
1	нм/мин; их удельное сопротивление при 20 °С равно
1016 Ом • см, а электрическая прочность — 107 В/см.
В качестве защитных находят также применение диэлектри¬
ческие пленки на основе оксидов таких металлов, как алюми¬
ний (А1203), титан (ТЮ2), бериллий (ВеО) и цирконий (Zr02).
Исходный материал берут в виде порошка, а в качестве несуще¬
го агента используют либо галоген, либо галоидное соединение
водорода (табл. 9).
Таблица 9. Режимы осаждения пленок оксидов металлов
А1203	HCl(HBr)	800-1000	400-700
ВеО	HCl(HBr)	900-1200	500-750
ТЮ2	НС1(НВг,С12)	800-1000	500-700
Zr02	HCl(HBr)	1000-1200	500-800
§ 36. ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА
Защита пленками стекла, широко используемая при изго¬
товлении планарных, меза- и мезапланарных структур (рис.
18,я, в), стабилизирует их электрические параметры, так как
его слой связывает подвижные ионы, мигрирующие по поверх¬
ности полупроводниковой пластины (кристалла). Выбор соста¬
ва стекла для защитных пленок зависит от конструктивных осо¬
бенностей изделия и технологии его изготовления. Для защиты
68
Материал
источника
Несущий агент
Температура, °С
источника	пластины

Рис. 18. Защита планарной (я), меза (б) и меза-планарной
(в) полупроводниковых структур ИМС стеклом:
1 — полупроводниковая пластина, 2 — пленка диоксида крем¬
ния, 3 — стекло, 4 — пленка металла
полупроводниковых пластин используются фосфорно-силикат¬
ные (ФСС), боросиликатные (БСС), алюмосиликатные (АСС),
свинцово-силикатные (ССС) и халькогенидные (ХГС) стекла, а
также стекла более сложного состава.
Фосфорносиликатные стекла обладают хорошей текучестью,
которая с увеличением содержания фосфора возрастает. Растека¬
ние фосфорно-силикатного стекла происходит при 1000—
1100 °С. Для защиты полупроводниковых структур рекоменду¬
ются стекла с концентрацией фосфора от 6 до 8 %. При меньшей
его концентрации растекание стекла затруднено, а концентрация
выше 8 % может вызвать коррозию алюминиевой металлизации.
Боросиликатные стекла отличаются низкой электропровод¬
ностью, малыми диэлектрическими потерями, хорошей механи¬
ческой прочностью, термической и климатической стойкостью.
Эти стекла могут иметь небольшую концентрацию таких приме¬
сей, как оксиды титана, циркония, церия, и устойчивы в широ¬
ком диапазоне температур. Обычно боросиликатное стекло
содержит 85 % Si02 и 15 % В203. Удельное сопротивление стекла
1015	Ом • см, а электрическая прочность 5 • 106 В/см.
Алюмосиликатные стекла (табл. 10) применяют для защиты
структур, выполненных на кремнии, так как их КТР близки.
Свинцово-силикатные стекла, используемые для защиты
мезаструктур, состоят из оксидов свинца и кремния, а также
присадок. Так, для защиты планарных структур используют
стекло следующего состава: 50% РЬО, 30% Si02, 7% А1203,
13%1лО.
Халькогенидные стекла имеют в своей основе тройные ком¬
позиции: мышьяк — сера — таллий и мышьяк — селен — таллий.
Тройная диаграмма состояний халькогенидных стекол, на ко-
69

Таблица 10. Составы алюмосиликатных стекол
Номер
Компоненты стекла, %
состава
Si02
А1203
ВаО
СаО
Na20
1
35
35
29,9
—
0,1
2
10
55
34,9
-
0,1
3
45
20
34,9
-
0,1
4
10
60
-
29,5
0,5
5
50
50
-
44,5
0,5
торой выделена область составов, пригодных для защиты полу¬
проводниковых элементов, показана на рис. 19.
Рис. 19. Диаграммы состояний:
а - мышьяк-сера-таллий, б - мышьяк-селен-таллий
Многокомпонентные стекла отличаются низкой проница¬
емостью для различных агрессивных сред (газов и паров воды)
и малым коэффициентом диффузии щелочных ионов (особен¬
но натрия). Кроме того, они обладают достаточно низкой тем¬
пературой размягчения, большим электрическим сопротивле¬
нием, малыми диэлектрическими потерями и хорошей устой¬
чивостью к расстекловыванию. Добавка ТЮ2 снижает КТР без
существенного увеличения температуры размягчения.
Для приготовления стекла нужного состава отдельные ком¬
поненты размельчают в шаровых мельницах (размер частиц дол¬
жен быть 1—1,5 мкм) и разводят в ацетоне, изопропиловом
спирте, бензоле, этилацетате,трихлорэтилене, хлороформе или их
смесях до образования суспензий. Для получения однородных
свободных от дефектов пленок стекла большое значение имеют
степень измельчения шихты и дисперсионная среда, в которой
70

частицы стекла находятся во взвешенном состоянии. Чем выше
степень измельчения, тем лучше качество защитной стеклянной
пленки.
Дисперсионную среду готовят на основе органических жид¬
костей, значительно отличающихся диэлектрическими характе¬
ристиками, но имеющих одинаковые вязкость и летучесть. При¬
готовляя суспензию, порошкообразное стекло сначала размеши¬
вают в жидкости с более высокой диэлектрической постоянной.
При этом имеющиеся в стекле агломераты распадаются и пере¬
ходят во взвешенное состояние. Кроме того, частицы стекла
в такой жидкости приобретают больший электрический заряд и
сильнее отталкиваются друг от друга, вследствие чего образу¬
ется лучшая коллоидная суспензия. При добавлении в такую сус¬
пензию жидкости с более низкой диэлектрической постоянной
частицы стекла остаются во взвешенном состоянии.
Для получения тонких стеклянных защитных пленок, рав¬
номерных по составу и толщине, рекомендуется смесь из бути¬
лового, изопропилового спиртов и бензина, взятых в соотноше¬
нии 1:6:2. Стеклянные суспензии наносят на поверхность
пластин пульверизацией и подвергают термической обработке,
в результате чего образуется защитная пленка.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие требования предъявляют к материалам для защитных
покрытий?
2.	Каким требованиям должны отвечать защитные лаки, эмали и
компаунды?
3.	Какие методы получения пленок Si02 и Si3N4 вы знаете?
4.	Какие стекла используют для защиты структур ИМС?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОРПУСОВ
§ 37. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС изготовляют
из различных металлов и их сплавов, стекла и керамики, к кото¬
рым предъявляют определенные требования. Так, металлы, сое¬
диняемые со стеклом и керамикой, должны давать герметичные
спаи и образовывать прочные элементы конструкции корпуса,
а материалы, применяемые для изготовления выводов корпу¬
сов, — обладать высокой пластичностью. При многократных
перегибах на выводах не должны появляться трещины. Металлы
71

и сплавы, используемые для изготовления оснований корпусов
и крышек, должны хорошо соединяться между собой и с други¬
ми металлами электроконтактной сваркой и пайкой.
Для изготовления корпусов широко применяют медь,
никель, сталь и следующие сплавы: железо — никель — кобальт
(29НК), железо — никель — медь (47НД), железо — никель
(Н42 и Н46). Рассмотрим основные свойства этих материалов.
Медь Си — металл характерного красного цвета. В природе
встречается в самородном состоянии, а также в медных рудах.
Атомная масса 63,54. Плотность 8,93 г/см3. Температура плавле¬
ния 1083 °С. Давление паров при 1000 °С равно 1,3 • 10“ 2 Па.
Удельное сопротивление при 20 °С равно 1,7 • 10“6 Ом • см.
Медь обладает достаточно высоким КТР, который при темпера¬
туре от 20 до 100 °С равен 1,6 • 10”5 1/°С. Предел прочности
меди при растяжении в неоттоженном состоянии 5 • 108 Н/м2, а
в оттоженном — 2,5 • 108 Н/м2. Медь обладает наибольшей после
серебра теплопроводностью и высокими пластическими свойст¬
вами -легко поддается ковке, штамповке,прокатке и вытяжке.
По химическим свойствам медь — малоактивный металл.
Окисляясь на воздухе, она покрывается пленкой оксида. Медь
устойчива к воздействию щелочей, хорошо растворяется в
азотной кислоте, а с серной и соляной вступает в реакцию толь¬
ко при нагревании, растворяется в смеси азотной и плавиковой
кислот, а также в царской водке.
Для изготовления деталей корпусов используют медь марок
Ml, М2, МБ (бескислородная) и MB (вакуумной плавки),
которая хорошо паяется мягкими и твердыми припоями. Кон¬
тактная электрическая сварка медных деталей друг с другом
и с другими металлами и сплавами затруднена, так как медь
обладает хорошей теплопроводностью и малым электрическим
сопротивлением. Из меди изготовляют многослойные ленты,
которые служат для изготовления кристаллодержателей ИМС.
Так, лента ФЛП-П выполняется из полиамидной пленки с нане¬
сенным слоем адгезива, облицована с одной стороны электроли¬
тической медью (медной фольгой) и применяется при сборке
ИМС в качестве рамочных выводов. Лента медь — ковар — медь
МКМ представляет собой основу из железоникелькобальтового
сплава, плакированную с одной или двух сторон медью. Соотно¬
шение слоев по толщине 12,76и12%.
Никель Ni — металл серебристо-серого цвета (см. § 32), при¬
меняемый для изготовления никелевой проволоки. Предел проч¬
ности при растяжении в неоттоженном состоянии равен
9 • 108 Н/м2, а в оттоженном — 5 • 108 Н/м2. Удельное сопротив¬
ление при 20 ° С равно 6,8 • 10"6 Ом • см, КТР равен 6,5 • 10"5
1/ °С. Никель легко протягивается и механически обрабаты-
72

вается. В атмосфере водорода поддается пайке твердыми и мяг¬
кими припоями и хорошо сваривается. Для изготовления дета¬
лей корпусов используют никель в виде ленты, проволоки и
многослойных ленточных композиций (лента никелевая с полос¬
кой золота НЗ-0, 21-35, лента никель — медь — никель НМН,
лента никелевая с полоской алюминия НА-0, 25-28).
Сталь (Ст 10) — сплав железа с углеродом. С повышением
содержания углерода возрастает твердость и предел прочности
стали, но ухудшается ее пластичность. Плотность 7,86 г/см3.
Температура плавления 1530° С. При изменении температуры
КТР стали изменяется мало и равен 1,2 • 10“5 1/°С. Удельное
сопротивление 10“6 Ом • см. Давление паров при 800°С не
превышает 6,5 * 10"3 Па. Сталь Ст 10 обладает способностью
к глубокой вытяжке, хорошо обрабатывается резанием и свари¬
вается. При горячей штамповке, ковке и прокатке она упроч¬
няется. Недостаток стали — ее низкая химическая стойкость:
в увлажненном воздухе она ржавеет, в разбавленных серной,
соляной и азотной кислотах растворяется быстро, а в щелочах —
медленнее. Из стали изготовляют элементы корпусов полупро¬
водниковых приборов ИМС.
Ковар — сплав, содержащий от 28,5 % до 29,5 % никеля и от
17 до 18 % кобальта, остальное — железо. Достоинство кова-
ра — возможность получения согласованных по КТР спаев со
стеклом марок С48-1, С48-2 и С49-2, а также с керамикой.
Плотность 8,35 г/см3. Температура плавления 1450°С. КТР
при 20—200 °С равен (4,Зт-5,4) • 10“6 1/ °С. Ковар сваривается и
поддается пайке мягкими и твердыми припоями. По сравнению
со сталью ковар более антикоррозиен. Травится ковар в смеси
разбавленных азотной и соляной кислот. Детали из ковара
хорошо покрываются различными металлами (оловом, кад¬
мием, золотом, медью, никелем, серебром и др.). Коваровые
детали изготовляют из ленты, проволоки и трубок, а также из
трехслойных лент ковар — медь — ковар.
Железоникелевые сплавы Н42 и Н46 содержат соответствен¬
но 42 и 46 % никеля, остальное — железо и имеют КТР, равный
9 • 10"6 1/ °С. По сравнению с коваром эти сплавы более плас¬
тичны и менее подвержены эрозии и растрескиванию, а детали
из них хорошо свариваются и легко обрабатываются.
Сплав 47НД содержит от 46 до 48 % никеля, 4,5—5,6 % меди,
остальное — железо, имеет КТР равный 8 • 10" 6 1/ °С и образует
герметичные спаи с мягкими стеклами марок С88-1 и С90-1
и стеатитовой керамикой.

§ 38. СТЕКЛА
В обычных условиях стекло — твердое аморфное вещество,
атомы которого не могут свободно перемещаться относительно
друг друга. Такое состояние вещества называют стекловидным.
По мере повышения температуры стекло постепенно переходит в
жидкое состояние, т.е. оно не имеет определенной температуры
плавления, при которой наблюдается резкий переход из твердо¬
го состояния в жидкое. Физико-химические свойства стекла за¬
висят от его состава и режима обработки. Кварцевое стекло,
состоящее только из оксида кремния, имеет наименьшую плот¬
ность (2,3 г/см3). Свинцовые стекла, содержащие много оксида
свинца РЬО (до 80 %), — наиболее тяжелые и имеют плотность,
равную примерно плотности железа (8 г/см3).
Предел прочности стекла при растяжении невелик (около
8 • 107 Н/м2) и растет при повышении в нем кремнезема и оксида
кальция. Оксиды щелочных металлов снижают прочность стекла.
Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению.
Предел прочности обычного стекла при сжатии 9 • 108 Н/м2, т.е.
более чем в 10 раз больше предела прочности при растяжении.
Свинцовые стекла самые мягкие. Наибольшей прочностью обла¬
дают боросиликатные стекла, содержащие до 15 % оксида бора.
Стекла имеют КТР от 5 • 10“8 до 8 • 10" 7 1/ °С. Следует отметить,
что стекла с небольшим КТР хорошо выдерживают резкие коле¬
бания температур. При введении в состав стекла оксидов щелоч¬
ных металлов его КТР значительно повышается. Стекла отличают¬
ся низкой электро- и теплопроводностью, а их удельное сопротив¬
ление в зависимости от состава изменяется от 108 до 1018 Ом • см.
Химическая стойкость стекол также зависит от состава.
Стекло широко используют при изготовлении различных
корпусов полупроводниковых приборов и ИМС, а также метал¬
лостеклянных спаев, проходных изоляторов и оптических линз
для оптоэлектронных приборов. Все стекла можно условно раз¬
делить на две группы: тугоплавкие, КТР которых не превышает
5 • 10“6 1/ °С, и легкоплавкие с более высоким КТР.
Тугоплавкие стекла имеют боросиликатную или
алюмосиликатную основу,, обладают высокими диэлектричес¬
кими свойствами, большими термостойкостью, температурой
размягчения и механической прочностью.
Легкоплавкие стекла имеют свинцовый, барито¬
вый или магнезиальный состав. Так, свинцовое стекло С87-1
содержит 30 % оксида свинца, обладает высокой пластичностью
и хорошими диэлектрическими свойствами, что позволяет ис¬
пользовать его при изготовлении многоэлектродных ножек
корпусов ИМС.
74

Боросиликатные стекла С37-1, С38-1 и С39-1 служат для
получения согласованных по КТР спаев с вольфрамом, а С47-1,
С48-1, С48-2, С48-3, С49-1 - с молибденом. Особенность бороси¬
ликатных стекол С48-1, С48-2 и С49-1 - получение герметичных
спаев с одним из основных материалов, применяемых в произ¬
водстве корпусов, - коваром.
Алюмосиликатные стекла обладают высокими температу¬
рами размягчения, низкими диэлектрическими потерями и в
некоторых случаях являются конкурентами керамике.
Элементы корпусов изготовляют из стекла различных
исходных форм: стеклопорошков, стеклотаблеток, стеклобус и
стеклянных трубок (капилляров). Химический состав и свойст¬
ва различных стекол приведены в табл. 13 и 14.
Таблица 13. Химический состав стекол
Марка
Si(>2 В2О3 PbO AI2O3 CaO MgO Na20 К2О MnO Р2О5
С37-1
57,6
-
- 25
7,2
8,2
-
2,0
-
-
С39-1
73,0
16,5
6,0
-
-
3,0
1,5
-
-
С49-1
66,5
20,3
4,0
-
-
8,7
-
0,5
-
С50-2
7,0
35,0
- 23,0
6,3
14,2
-
-
-
14,5
С89-2
69,6
2,8
4,0
6,9
-
9,0
7,7
-
-
С90-1
69,5
-
-
5,5
3,5
12,5
4,0
-
-
Таблица 14. Свойства стекол
Свойство
Марка
С37-1
С39-1
С49-1
С50-2
С89-2
С90-1
Температура размягче¬
ния, °С
806
630
580
665
580
550
Удельное сопротивление
р* 1011, Ом • см
1
1
1
0,1
1
1
KTP- 10“6, 1/°С
3,7
3,9
4,9
5,0
8,9
9,0
§ 39. КЕРАМИКА
Керамику - твердый и плотный материал, широко применя¬
емый при изготовлении элементов корпусов, получают спекани¬
ем неорганических солей с различными минералами или оксида¬
ми металлов. Исходные компоненты могут быть непластичными
75

(кристаллообразующими) и пластичными. Кристаллообразую¬
щими компонентами являются неорганические соли (хлористые
алюминий, железо, магний и др.), минералы (кБарц, глинозем,
тальк), оксиды металлов (циркония, бария, кальция, магния,
титана и др.) и карбонаты, а пластичными — различные глинис¬
тые материалы, облегчающие оформление заготовок и деталей.
Керамические материалы нагрево- и влагостойки, обладают
высокими диэлектрическими и механическими свойствами/а
также надежны в работе. Свойства керамики, как и стекол, зави¬
сят от ее состава и режима изготовления. В производстве корпу¬
сов используют алюмооксидную, миналундовую, стеатитовую,
кордиеритовую и бериллиевую керамику.
Алюмооксидная керамика содержит от 90 до 97 % оксида
алюминия А1203 . Плотность различных сортов этой керамики от
3,95 до 4,01 г/см3. Температура плавления 2050°С. Предел
прочности на сжатие 109 Н/м2, а на сдвиг и кручение 2 • 108 Н/м2.
КТР равен 7,5 • 10“6 1/ °С. Удельное сопротивление от 1012 до
1016	Ом -см. Диэлектрическая проницаемость при 20 °С и часто¬
те 106 Гц равна 8-12, а тангенс угла диэлектрических потерь
составляет от 0,001 до 0,0003. Электрическая прочность от 45
до 60 кВ/мм.
Алюмооксидную керамику получают из предварительно
обожженного молотого технического глинозема или электро-
плавленного корунда. Для снижения температуры обжига кера¬
мики добавляют минерализаторы (А1С13, FeCl3, 3NaFAlF3,
Ti02, MnO, Fe203, MgO), а для изменения ее свойств — модифи¬
каторы (Si02, MgO, Na20, K20, BaO). Из алюмооксидной кера¬
мики 22Х, 22ХС и ВГ-IV и миналундовой М-7 (табл. 15) изго¬
товляют вакуум-плотные переходные изоляторы для корпусов
ИМС.
Таблица 15. Состав алюмооксидной керамики
Марка
А1203 Si02 Сг203 MnO CaO MgO Fe203 Na20
22Х	94,40	2,76	0,45	2,39	-
22ХС	94,40	2J6	0,49	2,35	-
ВГ-IV	95,30	3,30	-	-	0,30	1,2
М-7	94,0	4,0	-	2,0	0,05	0,05
Стеатитовая керамика получила свое название по основному
компоненту — тальку (стеатиту), имеющему состав от 3 MgO •
•4Si02	Н20	до 4Mg0 -5Si02 Н20. Эту керамику изготов-
76

ляют на основе природного магнезиального (силикатного)
сырья - преимущественно талька, глинистых компонентов,
энстатита и серпинтина. В зависимости от требуемых свойств
содержание глинистых компонентов колеблется в пределах от
2	до 15 %.
Стеатитовую керамику используют при изготовлении корпу¬
сов ИМС, а также в качестве изоляционного высокочастотного
материала (проходные изоляторы, подложки, изолирующие
кольца). Детали из стеатитовой керамики получают протяжкой,
прессовкой или штамповкой. Малогабаритные детали сложной
геометрической формы выполняют горячим литьем предвари¬
тельно обожженных и измельченных стеатитовых масс с добавле¬
нием 10—15% термопластичной связки (парафина). Характер¬
ные особенности стеатитовой керамики — высокая механическая
прочность и малые диэлектрические потери. Технологический
процесс изготовления деталей состоит в подготовке сырья,
приготовлении рабочей массы, формовании из нее изделий,
их сушке при 180-200° С для удаления органической связки
и обжиге при 1000-1300 °С.
В производстве используют стеатитовую керамику СПК-2,
СПК-5, ТК-21, ТКП, СК-1 и СНЦ, электрофизические свойства
которой зависят от состава исходной шихты и режима отжига
(табл. 16 и 17).
Таблица 16. Состав стеатитовой керамики
Марка
Компоненты керамики, %
Si02 А1203+ТЮ2 Fe2C>3 CaO MgO BaO Na20 К20 ZnO
СПК-2
62,15
7,64
0,66
1,96
26,78
-
0,56
0,25
-
СПК-5
58,0
6,91
0,84
2,22
26,01
-
0,25
0,46
5,31
ТК-21
55,12
6,07
0,66
6,39
27,30
-
0,11
0,35
-
ТКП
66,58
6,18
0,76
0,33
25,68
-
0,12
0,28
-
СК-1
54,22
0,99
0,76
-
28,60
15,4
0,01
0,02
-
СНЦ
53,0
1,37
0,30
0,16
27,70
11,4
0,04
0,08
5,35
Таблица 17. Свойства стеатитовой керамики
Марка
Свойство
СПК-2 СПК-5 ТК-21 ТКП СК-1 СНЦ
Плотность, г/см3	2,66	2,6	2,6	2,65	3	3
77

Продолжение табл. 17
Свойство
Марка
СПК-2
СПК-5
ТК-21
ТКП
СК-1
СНЦ
Удельное сопротивление
р» 1013, Ом • см
5
7
1
10
10
30
Электрическая прочность,
кВ/мм
40
40
42
40
40
40
Относительная диэлект¬
рическая проницаемость
6,1
6,0
5,5
5,8
6
7
Тангенс угла диэлектри¬
ческих потерь tg 5 • 103
2,5
2
1,5
0,8
0,6
од
Предел прочности, Н/м2
при изгибе аИ • 10
7
80
19
17
10
17
КТР - 10~6, 1/°С
5,9
6
6,4
6
6
5
Теплопроводность,
Вт/ (м • К)
4,15
4,5
5,8
5
5,2
4,9
Форстеритовая керамика имеет высокие диэлектрические
характеристики, что позволяет использовать ее для получения
вауумно-плотных спаев с металлами, обладающих повышенным
КТР (например, медью). В полупроводниковой технологии при¬
меняют форстеритовую керамику ЛФ-11, КВФ-4 и форстерит-17
(табл. 18 и 19).
Таблица 18. Свойства форстеритовой керамики
Марка
керамики
Компоненты керамики, \
AI2O3
Si02
ВаО
СаО
MgO
0,8
41,7
6,0
—
51,5
4,3
41,6
7,7
-
46,4
2,6
44,0
7,8
0,6
45,0
ЛФ-11
КВФ-4
Форстерит-17
Таблица 19. Свойства форстеритовой керамики
Свойство
Марка
ЛФ-11 КВФ-4 Форсгерит-17
Плотность, г/см
Удельное сопротивление,
Ом • см
78
2,9
3,0
3,2
10
13
10
13
10
14

Продолжение табл. 19
Свойство
Марка
ПФ-11 КВФ-4
Форстерит-17
Электрическая прочность,
кВ/мм
Относительная диэлектричес¬
кая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических
потерь tg б • 1(Г4
Предел прочности, Н/м2:
при изгибе о • Ю10
8
при растяжении стр • 10
КТР • КГ6, 1/ °с
Теплопроводность, Вт/ (м • К)
45
48
46
7Д
6,7
6,9
5
5,5
4,6
1,8
1,7
1,7
2
4
5
8,3
8
8,5
7
10
12
Кордиеритовая керамика представляет собой материал,
получаемый на основе минерала кордиерита (2 MgO • 2 А12 Оз •
*5 Si02). Состав кордиеритовой керамики наиболее распрост¬
раненных марок приведен в табл. 20, а основные свойства —
в табл. 21.
Таблица 20. Состав кордиеритовой керамики
Компоненты керамики, %
марка
Si02
А1203
Fe203
СаО
MgO
Na20
К20
Л-24
41,50
49,50
1,00
0,19
7,50
0,31
_
К-2
39,68
50,82
1,62
0,47
6,86
0,15
0,46
K-4
38,05
51,90
1,57
0,45
7,37
0,16
0,50
КДИ-2
59,60
33,60
2,13
0,36
13,33
0,14
0,84
КП-2
51,70
33,30
0,90
0,40
12,87
0,89
0,89
Таблица 21. Свойства
кордиеритовой керамики
Свойство
Марка
Л-24
К-2
К-4
КДИ-2
КП-2
о
Плотность, г/см
Удельное сопротивление р • 1012,
2,2
2,2
2,3
1,9
2,6
Ом • см
2
1
8
1
1
79

Продолжение табл. 21
Свойство
Марка
Л-24
К-2
К-4
КДИ-2
КП-2
Электрическая прочность, кВ/мм
Относительная диэлектрическая
15
16
14
15
15
проницаемость
Тангенс угла диэлектрических
6,3
6,5
6,5
6,3
6,5
потерь tg б • 10~3
Предел прочности, Н/м2:
2
1
1,7
1
1
при изгибе оИ • 107
7
6
6
2
9
при растяжении стр • Ю7
2
1
1
0,8
2
КТР • 10“б, 1/ °с
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Теплопроводность, Вт/(м • К)
6,5
6,0
6,2
6,1
6,1
Синтез кордиерита проводят из различных исходных мате¬
риалов: оксидов металлов, талька, глины, глинозема, кварца и
др.
Основное назначение кордиеритовой керамики — изготовле¬
ние изоляторов, способных выдерживать большие перепады тем¬
ператур.
Бериллиевая керамика обладает самой высокой среди всех
керамических материалов теплопроводностью и поэтому приме¬
няется в микроэлектронике для изготовления корпусов, кото¬
рые позволяют изолировать полупроводниковый кристалл от
металлического основания и отводить от него теплоту. Плот¬
ность бериллиевой керамики 2,8 г/см3. Прочность на изгиб
1,8	• 108 Н/м2, а на растяжение 1,37 • 107 Н/м2. Теплопровод¬
ность 150 Вт/ (м • К). Электрическая прочность около 100 кВ/мм.
Удельное сопротивление 1014 Ом • см, КТР равен 8-10”6 1/ °С.
Относительная диэлектрическая проницаемость 6,5. Тангенс угла
диэлектрических потерь 10“ 4.
§ 40. ПЛАСТМАССЫ
Для герметизации изделий микроэлектроники применяют
пластические материалы на основе эпоксидных, кремнийоргани-
ческих и полиэфирных смол.
Эпоксидные смолы представляют собой группу искусствен¬
ных материалов, получаемых в результате реакции эпихлоргид-
рина или дихлоргидрина с многоатомными фенолами, резорци¬
ном, анилином и гликолями. В полупроводниковом производи
80

стве широко применяют эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6, Э-37, ЭЦ
и Т-10, особенностью которых является возможность отверж¬
дения в зависимости от используемого отвердителя при комнат¬
ной и при повышенных температурах. Так, при использовании в
качестве отвердителя алифатических аминов отверждение про¬
исходит при температуре 20 °С. Введение ароматических аминов
повышает температуру отверждения смолы до 60° С, пипери¬
дина — до 100 °С. Для отверждения эпоксидных смол наиболее
часто используют следующие материалы:
диэтилентриамин (ДЭТА) — температура отверждения
100 °С (6 ч);
гексаметилендиамин (ГМДА) - температура отверждения
20 °С (20 сут), 80 °С (10 ч) и 120 °С (2 ч);
М-фенилендиамин (МФДА) — температура отверждения
80 °С (8 ч) и 120 °С (2 ч);
дициандиамин (ДЦДА) — температура отверждения 170° С
(30 мин);
триэтиноламин (ТЭА) - температура отверждения 80° С
(6 ч);
диметиланилин (ДМА) — температура отверждения 20° С
(8 ч).
Компаунды представляют собой продукты модификации
эпоксидных смол отвердителями, пластификаторами и напол¬
нителями. Для герметизации ИМС используют следующие ком¬
паунды: эпоксидно-полиэфирные (К-115, К-201, К-168, К-176,
Д-2, Д-4, Д-19, ЭЗК-11 и ЭЗК-12); эпоксидно-тиокол евые
(К-153); эпоксидно-каучуковые (К-139); эпоксидно-кремний-
органические (ЭФП-60, ЭФП-61, ЭФП-62, ЭФП-63, ЭФП-64,
ЭФП-65, ЭКБТ-103, ЭКМ, ЭКП-200).
Кремнийорганические смолы представляют собой продукты
гидролитической поликонденсации органохлорсиланов. Наибо¬
лее часто используют смолы на основе метил- и фенилхлорсила-
нов, из которых соответственно получают быстроотверждаю-
щиеся и эластичные пластмассы. Для отверждения кремнийорга-
нических смол используют органические смолы щелочных
металлов, свинца, железа, кобальта, а также органотитанаты и
амины.
Материалы на основе кремнийорганических смол можно
разделить на гели, масла, каучуки, пресспорошки и компаунды.
Кремнийорганические гели используют для герметизации
чувствительных к давлению и механическим напряжениям при¬
боров, а кремнийорганические масла, затвердевающие при на-
греваниии, — для заливки электронных устройств. Кремний¬
органические каучуки после вулканизации превращаются в
упругие твердые вещества, хорошо герметизирующие полупро-
81

водниковые кристаллы с р-л-переходами. Кремнийорганические
пресспорошки и компаунды применяют для герметизации ИМС
трансферным прессованием и заливкой в формы.
Полиэфирные смолы представляют собой растворы ненасы¬
щенных полиэфиров в мономерах или олигомерах и относятся к
термореактивным материалам, обладающим небольшой вяз¬
костью и способностью к отверждению при различных темпера¬
турах. Получают эти смолы поликонденсацией гликолей (эти-
ленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиленгликоля и др.) с мале-
иновым и фталевым ангидридами. Многие выпускаемые про¬
мышленностью полиэфирные смолы содержат в качестве моно-
мера (растворителя) стирол.
§ 41. ПРИПОИ
Припои - это сплавы различных металлов, применяемые для соеди¬
нения металлических или металлизированных деталей друг с другом. В за¬
висимости от температуры плавления припои делятся на мягкие и твер¬
дые. Мягкие припои имеют температуру плавления ниже 450 °С, а твер¬
дые выше 450 С.
Мягкие припои хорошо смачивают соединяемые металличе¬
ские детали и процесс пайки ими не вызывает особых труднос¬
тей, однако прочность соединения невысока. Твердые припои
позволяют получать прочные паяные соединения, но пайка при
температуре выше 450 ° С допустима не во всех случаях.
К припоям, которые применяют в полупроводниковом про¬
изводстве, предъявляют повышенные требования как по чистоте
исходных материалов, так и по электрофизическим свойствам.
Так, они должны хорошо смачивать соединяемые металлы
и обладать высокими пластичностью, механической прочностью,
коррозионной стойкостью, электро- и теплопроводностью, а так¬
же обеспечивать герметичность паяного соединения.
В качестве мягких припоев используют оловян¬
но-свинцовые сплавы с добавками других металлов. Эти при¬
пои выпускают в виде проволоки, ленты, а также трубок, запол¬
ненных флюсом. Из лент обычно штампуют изделия требуемой
формы (диски, кольца, шайбы), которые применяют в виде про¬
кладок при пайке. Наибольшее распространение получили мяг¬
кие припои марок ПОС 40, ПОС 61, ПСр 61, ПСрОС 3,5-95,
ПСрОС 3-58, ПСрОСИН 3-56. Пайку мягкими припоями прово¬
дят как с флюсами, так и без них.
Припой ПОС 40 содержит 40 % олова, 60 % свинца и неболь¬
шое количество примесей (индия, сурьмы, никеля) и исполь¬
зуется для лужения выводов, а также при сборочных операциях.
82

Температура плавления припоя в зависимости от количества
примесей лежит в пределах от 200 до 250 °С.
Припой ПОС 61 содержит 61 % олова, 38,2 % свинца, 0,8 %
сурьмы, применяется при изготовлении деталей корпусов, а так¬
же при сборочных операциях и обеспечивает высокую герметич¬
ность паяных соединений. Температура плавления 185 °С.
Припои ПСрОС 3,5-95, ПСрОС 3-58 и ПСрОСИн 3-56 пред¬
ставляют собой сплавы серебра, олова, свинца и индия и имеют
температуру плавления от 180 до 220° С. Буквы в маркировке
припоев означают: П — припой; Ср — серебро; О — олово; С —
свинец; Ин — индий; первая цифра указывает содержание
серебра, а вторая — олова.
В качестве твердых припоев (табл. 22) приме¬
няют сплавы на основе серебра, золота и меди, которые обеспе¬
чивают прочные и чистые паяные соединения. Пайку твердыми
припоями обычно проводят без флюсов в атмосфере водорода,
активно восстанавливающего оксиды металлов. Основные мар¬
ки твердых припоев приведены в табл. 22.
Таблица 22. Твердые припои
Марка
Компоненты припоя, %
Температура
плавления, °С
Аи
Ag
Си
Ni
In
Pd
Sn
ПСр 999
_
99,9
_
_
_
_
_
960
ПСр 72
-
72,0
28
-
-
-
-
779
ПСрМИн 63
-
63,0
27
-
10
-
-
680
ПСрМПд 68
-
68,0
27
-
-
5
-
800
ПЗлМ 94
94
6
-
-
-
-
960
ПЗлМО 80
80
29,7
-
-
-
0,3
950
ПЗлМН 35
35
48
17
-
-
-
1000
ПМО 12
-
88
-
-
-
12
830
ПМН 10
-
90
10
-
-
—
1100
Флюсы делятся на защитные, предохраняющие детали при пай¬
ке от воздействия окружающей окислительной среды, и активные,
восстанавливающие оксиды металлов. Защитными флюсами
являются спиртовые растворы канифоли и стеарин, а активны¬
ми — хлористые цинк и аммоний, а также фтористый цезий.
§ 42. КЛЕИ
Клеи - эхо вязкие вещества, применяемые для соединения разно¬
родных материалов: двух металлов, металла с керамикой, керамики
со стеклом, полупроводниковых кристаллов с металлическими кристал-
лодержателями.

Клеи широко используют для присоединения кристаллов с
активными и пассивными элементами к токопроводящим или
изоляционным подложкам, а также к основаниям или фланцам
корпусов. В зависимости от требований технологического про¬
цесса и конструктивных особенностей выпускаемых изделий
клеи подразделяют на токопроводящие и изолирующие и предъ¬
являют к ним повышенные требования по чистоте и электрофи¬
зическим свойствам.
Токопроводящие клеи, среди которых наиболее
распространены АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТи КН-1, являются
композициями на основе эпоксидных и кремнийорганических
смол с добавлением порошков серебра или никеля.
Клей АС-40В — пастообразная жидкость стального цвета.
Удельное электрическое сопротивление 0,01 Ом • см. Адге¬
зия к алюминию, кремнию и никелю 2 • 106 Н/м2. Диапазон ра¬
бочих температур от —60 до +450 °С. Жизнеспособность 24 ч.
Для приготовления берут. 100 г клея АС-40В, 200 г порошка
серебра или никеля, 10 мл глицидилового эфира и 20 мл то¬
луола.
Клеи ЭК-А и ЭК-Б — пастообразные жидкости, представляю¬
щие собой композиции на основе эпоксикремнийорганической
смолы с пластификатором, отвердителем и "наполнителем.
Удельное электрическое сопротивление 5 • 10“3 Ом • см. Предел
прочности при сдвиге 2 • 106 Н/м2. Диапазон рабочих температур
от —60 до +150 °С. Жизнеспособность 16 ч.
Клей К-3 — тоже пастообразная жидкость. Удельное сопро¬
тивление 0,05 Ом • см. Адгезия к алюминию, кремнию, ковару,
никелю и золоту 2 • 106 Н/м2. Диапазон рабочих температур от
-60 до 125° С.
Клей ЭВТ представляет собой смесь клея АС-40В с эпокси¬
кремнийорганической смолой и порошком серебра. Удельное
сопротивление 5 • 10”3 Ом -см. Предел прочности при сдвиге
составляет: на алюминии 2,5 • 106 Н/м2, на меди 4 • 10* Н/м2, на
никеле 4,5 • 106 Н/м2 и на золоте 3 • 106 Н/м2. Диапазон рабо¬
чих температур от -60 до +200 °С. Жизнеспособность 12 ч.
Клей КН-1 — пастообразная жидкость — обладает удельным
сопротивлением 0,01 Ом • см и хорошей адгезией (2 • 106 Н/м2)
к многим материалам. Диапазон работах температур от —60 до
+125 °С. Жизнеспособность не более 1 ч.
Изолирующие клеи ЭД-16, КП-1 и ВК-32-200 пред¬
ставляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийор¬
ганических смол с наполнителями из стекла или кварца.
Клей ЭД-16 состоит из 5 г эпоксидной смолы, 2,5 г пылевид¬
ного кварца, 1,5 г дибутилфталата и 15 капель полиэтиленполи-
амина.
Я4

Клей КП-1 имеет удельное сопротивление 1014 Ом • см.
Клей ВК-32-200 обладает высокими адгезионными свойст¬
вами к полупроводниковым материалам.
Оптические клеи составляют особую группу и ис¬
пользуются для склеивания элементов и узлов оптоэлектронных
ИМС. Наряду с обычными к ним предъявляют дополнительные
требования по значению коэффициентов преломления и свето-
пропускания. Наиболее широкое применение получили опти¬
ческие клеи ОК-72, ОП-429, ОП-4ЭО и ОП-ЗМ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие материалы используют -для изготовления корпусов и какие
требования к ним предъявляют?
2.	Из каких материалов изготовляют металлостеклянные и металло¬
керамические спаи?
3.	Какие керамические материалы и пластмассы применяют в произ¬
водстве корпусов?
4.	Какие виды припоев вы знаете?
5.	Какие клеи применяют в производстве изделий микроэлектро¬
ники?
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
§ 43. ПЛАСТИНЫ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Монолитные ИМС изготовляют на монокристаллических
пластинах из различных полупроводниковых материалов (см.
гл. 2), а гибридные интегральные схемы ГИС — на пластинах из
изоляционных материалов. Пластины для ИМС и ГИС должны
обладать высокими механическими и электрическими свой¬
ствами.
Пластины ГИС изготовляют из боросиликатных и алюмоси-
ликатных стекол (см. § 38, гл. 7), но наибольшее применение
получил ситалл.
Ситалл — продукт кристаллизации стекла с очень мелкими
(0,01-1 мкм) и равномерно распределенными по объему крис¬
талликами, сросшимися друг с другом или соединенными тон¬
кими прослойками остаточного стекла. Получаемые в результате
катализированной кристаллизации стекла при термообработке
ситаллы занимают промежуточное положение между обычными
стеклами и керамикой.
85

Технология получения ситалла состоит из нескольких опера¬
ций. Сначала изготовляют изделие из стекломассы и подвергают
его двухступенчатому термическому нагреву при 500—700 °С и
900-1100 °С. На первой стадии происходит образование зароды¬
шей кристаллизации, а на второй - развитие кристаллических
фаз, содержание которых по окончании процесса достигает
95%.
Ситаллы — плотные материалы от белого до коричневого
цвета, отличающиеся повышенной механической прочностью и
химической стойкостью, а также сочетающие высокие диэлект¬
рические и температурные свойства (табл. 23). Большинство
ситаллов представляют собой материалы, полученные на основе
следующих композиций: Li20 — А1203 — Si02 — Ti02; CaO —
А12 О3 — Si02 — Ti02 j MgO — Al2 03 — Si02 — Ti02 *, BaO —
Al2 O3 — Si02 — Ti02.
Таблица 23. Основные свойства ситаллов
Марка
Плотность, г/см3
3,1
2,8
2,9
2,8
2,8
2,9
2,9
Удельное сопротивление
р • 1014, Ом • см
0,01
0,1
1
1
1
1
1
Электрическая прочность,
кВ/мм
50
110
40
70
80
90
105
Теплопроводность,
Вт/ (м • К)
1,1
1,3
1,3
1,2
1,2
1,3
1,3
Относительная диэлектриче¬
ская проницаемость
10
5,5
7,3
8,5
6,4
6,6
6,8
Тангенс угла диэлектриче¬
ских потерь tg б • 1(Г3
0,3
2
2
3
2
1
1
КТР • 10“б, 1/ °с
3,2
3,6
3,8
5,2
5,7
8
9
Предел прочности при изги-
бе • 108, Н/м2
2,5
1,7
1,8
2,5
1,7
2,5
2,6
Пластины ИМС изготовляют, кроме того, из керамических
материалов на основе оксидов бериллия (брокерита) и алюми¬
ния (поликора). Пластины из поликора используют также для
осаждения пассивных элементов ГИС.
86
Свойство
Сг-32-1
Сг-35-2
Ст-38-1
Сг-50-1
Сг-50-2
Сг-83
Сг-90

Поликор содержит до 99,7 % оксида алюминия. Плотность
поликора 3,96 г/см3. КТР равен 8,5 • 1СГ6 1/°С. Тангенс угла
диэлектрических потерь не превышает 2 • 1СГ4. Относительная
диэлектрическая проницаемость 9,8. Удельное сопротивление
выше 1014 Ом • см.
Брокерит содержит до 98 % оксида бериллия, остальное —
минерализатор (А1203, CaO, Si02). Плотность брокерита
2,8	г/см3. Удельное сопротивление 1014 Ом • см. Теплопровод¬
ность 150 Вт/ (м • К).
Для увеличения плотности монтажа ИМС (ГИС) используют
многослойные керамические пластины, представляющие собой
чередующиеся слои керамического материала и металлизации
определенной толщины и заданного рисунка. Большую роль при
изготовлении ИМС играют комбинированные пластины, состоя¬
щие из изоляционной основы с созданными в ней участками
полупроводника, которые могут располагаться как на поверх¬
ности, так и в специальных углублениях — карманах. Достоин¬
ство комбинированных пластин по сравнению с чисто полупро¬
водниковыми — полная изоляция полупроводниковых участков
друг от друга, а недостаток — значительные внутренние механи¬
ческие напряжения, возникающие в результате различия КТР
изоляционного и полупроводникового материалов. Это особен¬
но характерно для комбинированных пластин КНС (кремний на
сапфире), так как различие КТР сапфира (8,4-10“6 1/°С) и
кремния (3,6 • 10”6 1/°С) достаточно велико. Комбинирован¬
ные пластины имеют толщину 200—250 мкм и диаметр
60-120 мм.
В ряде случаев в микроэлектронике используют пластины из
фотоситалла.
Фотоситалл — материал, получаемый кристаллизацией свето¬
чувствительного стекла, состоит из 75 % оксида кремния, 11,5 %
оксида лития, 10 % оксида алюминия и оксида калия, осталь¬
ное — азотнокислое серебро и оксид церия. Фотоситалл устойчив
к кислотам, обладает высокой механической прочностью и тер¬
моустойчив. Удельное сопротивление его не превышает
Ю10 Ом • см. Рельеф рисунка фотошаблона проявляют ультра¬
фиолетовым излучением на фотоситалле.
§ 44. РЕЗИСТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В изделиях микроэлектроники широко применяют тонко¬
пленочные резисторы, основными электрическими параметрами
которых, определяющими выбор их конструкции и материалов,
являются электрическое сопротивление, номинальная мощность
рассеивания, временная и температурная стабильность. Тонко-
87

пленочные резисторы характеризуют также удельным поверх¬
ностным электрическим сопротивлением — сопротивлением
квадрата тонкопленочного материала. Сопротивление пленочно¬
го резистора, имеющего длину /, ширину к, толщину h и удель¬
ное сопротивление р, определяют по формуле R = pl/hk. Сопро¬
тивление квадрата пленки Rs = p/h не зависит от размера сторо¬
ны квадрата и его принято выражать в единицах ом на квадрат
(Ом/Ш). При этом сопротивление тонкопленочного резистора
R = Rsl/k.
Так как минимальная ширина к резистивной пленки лими¬
тируется возможностями фотолитографии, сопротивление
тонкопленочного резистора определяется только поверхностным
сопротивлением исходного резистивного материала Rs и длиной
/ резистивной полоски. Для уменьшения площади, занимаемой
резистором, его часто выполняют в виде ломаной (зигзагооб¬
разной) полоски.
В микроэлектронике тонкопленочные резисторы изготов¬
ляют из различных материалов: металлов, оксидов металлов
и соединений металлов с диэлектриками. Следует отметить, что
свойства тонких пленок из металлов и сплавов значительно
отличаются от свойств этих материалов в монолитном виде. Так,
тонкие пленки всех металлов и сплавов имеют более высокое
удельное сопротивление, чем основной материал. На основе
пленок титана и тантала, а также силицидов железа, никеля и
хрома можно получать резисторы, обладающие значительным
сопротивлением. Рениевые и вольфрамовые резисторы могут
работать при повышенных температурах.
Кроме того, резистивные пленки высокого удельного
сопротивления могут быть получены при использовании в каче¬
стве исходных материалов композиций из порошкообразных
смесей железа, кремния, никеля, хрома, оксидов титана, железа,
алюминия, хрома, кадмия, кобальта, никеля с керамикой,
стеклом или полимером. Изменяя состав проводящих компо¬
нентов (частиц металла) и их количество в общем объеме мате¬
риала, можно изменять сопротивление пленочных резисторов.
Наиболее распространены резистивные сплавы PC (табл. 24).
Наряду со сплавами PC применяют керметы (К-20С,
К-ЗОС, К-50С), представляющие собой сплавы хрома и оксида
кремния. Удельное поверхностное сопротивление керметов от
102 до 104 Ом/П.
В микроэлектронике находят также применение резистив¬
ные двух- и трехкомпонентные силицидные сплавы MJIT. Один
из этих сплавов МЛТ-3 (55 % Si, 30 % Сг, 15 % Fe) широко ис¬
пользуют для изготовления тонкопленочных резисторов с удель¬
ным поверхностным сопротивлением пленки 300 Ом/D и ТК р
88

Таблица 24. Свойства и состав резистивных сплавов
Сплав
Свойство
0
Плотность, г/см
Удельное сопро¬
тивление Rs• 104,
5
3,5
5,3
5
4
4,6
4,7
Ом/а
Температура
7
2
0,05
0,05
0,3
5
0,01
плавления, С
Мощность рас¬
1250
1380
1570
1420
1350
1400
1550
сеивания, Вт/см2
Толщина пленки,
4,8
5,0
«»
4,5
3,5
5
5,5
5
мкм
0,3
0,15
0,20
0,15
0,1
0,1
0,15
ТК р- 10-4, 1/ °с
Состав, %:
2
1,5
2
5
3
2
2
хром
37
-
17
17
30
42
48
кремний
53
86
43
42
69
52
52
железо
-
4
14
14
1
-
-
вольфрам
-
-
26
27
-
-
-
никель
10
10
-
-
-
6
-
равным 10“41/°С. Кроме того, резисторы изготовляют из
пленок карбида, нитрида хрома; тантала, вольфрама, а также
нихрома и сплавов на медной основе.
§ 45. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК
Проводящие пленки предназначены для создания токопроводящих
коммутационных дорожек, соединяющих между собой активные и пас¬
сивные элементы ИМС, а также формирования контактных площадок на
поверхности пластин.
Так как проводящие пленки должны иметь удельное повер¬
хностное сопротивление не выше 0,01 Ом/D, удельное сопротив¬
ление металла должно быть ниже 10”6 Ом -см. Проводящие
пленки должны выдерживать большие плотности тока (боль¬
шинство современных ИМС рассчитано на плотность тока до
105 А/м2) и обладать высокой адгезией к поверхностям, на
которые их наносят (кремний, металлы, Si02, Si3N4).
89
PC-3710
PC-1004
PC-1714
PC-1747
PC-3001
PC-4206
PC-4800

Для получения надежных контактных соединений пласти¬
на — проводящая пленка необходимо, чтобы адгезия была не
менее 106 Н/м2. С одной стороны, адгезия пленочного материа¬
ла повышается при большой шероховатости пластины за счет
увеличения фактической площади контактирования. С другой
стороны, при наличии на поверхности пластины различных
загрязнений адгезия уменьшается. При малых толщинах прово¬
дящих пленок (доли микрометра) адгезия не зависит от тол¬
щины пленки. Однако при увеличении толщины пленки до не¬
скольких микрометров в них накапливаются внутренние
механические напряжения, которые снижают адгезию.
Требование хорошей адгезии исключает возможность приме¬
нения в качестве проводящих пленок без соответствующего под-
слойного материала таких металлов, как золото, серебро и медь,
т.е. металлов, обладающих высокой электро- и теплопровод¬
ностью. Поэтому пленки из золота, серебра и меди могут исполь¬
зоваться только с подслоями из титана, хрома или нихрома. Это
не относится к алюминию, который позволяет получать адгезию
к подложкам порядка 106 Н/м2 и в настоящее время служит
основным материалом для получения токопроводящих комму¬
тационных дорожек и контактных площадок на различных полу¬
проводниковых и изоляционных пластинах.
В тех случаях, когда по технологическим или конструктив¬
ным соображениям алюминий использовать нежелательно, про¬
водящие пленки выполняют в виде многослойных металличес¬
ких покрытий из различных материалов. В таких многослойных
композициях первый к подложке слой металла (титана, хрома
или нихрома), обеспечивающий необходимую адгезию, имеет
толщину несколько сотых долей микрометра. Второй слой тол¬
щиной не более 1 мкм обеспечивает высокие электрические
свойства проводящей пленки (золото, серебро, медь), а третий
(никель или золото) толщиной 0,02—0,03 мкм служит защитой
среднего слоя (например, меди) от окисления. При использо¬
вании в качестве второго слоя пленки золота третий (защитный)
слой не наносят.
Наиболее часто применяют следующие композиции метал¬
лов: хром (толщина 0,01 мкм) — золото (0,5 мкм); титан
(0,01 мкм) — никель (0,01 мкм) — золото (0,5 мкм); нихром
(Х20Н80, 0,01 мкм) — золото (0,1 мкм); нихром (0,01 мкм) —
медь (MB 0,6 мкм) — никель (0,1 мкм); нихром (0,01 мкм) —
медь (0,6 мкм) — золото (0,05 мкм); нихром (0,01 мкм) — алю¬
миний (0,3 мкм) — никель (0,05 мкм); нихром (0,01 мкм) —
алюминий (0,3 мкм). Удельное поверхностное сопротивление
таких пленок не превышает 0,05 Ом/D. В многослойных компо¬
зициях недопустим непосредственный контакт металлов, взаи*
90

модействующих между собой, потому что возникают новые
соединения. Так, контакт золота с алюминием приводит к обра¬
зованию нежелательных хрупких интерметаллических соедине¬
ний (Au2Al, AuA12), которые служат причинами разрушения
пленки и выхода ИМС из строя.
§ 46. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ
КОНДЕНСАТОРОВ
Тонкопленочные конденсаторы представляют собой плос¬
кую трехслойную конструкцию, состоящую из двух электро¬
дов, разделенных слоем диэлектрика. Для их изготовления
необходимы проводящие материалы с хорошей электропро¬
водностью и изоляционные с высокими диэлектрическими
свойствами. Выбирая материалы, стремятся обеспечить мини¬
мальную площадь конденсатора при заданной удельной емкос¬
ти (пФ/см2), т.е. Суд = 885 e/d (где е — относительная диэлект¬
рическая проницаемость изоляционного материала, d — толщина
диэлектрика, мкм). Из формулы видно, что для получения
высоких номиналов емкостей конденсаторов необходимо,
чтобы диэлектрик имел большое значение е и его слои были
возможно более тонкими. Большинство применяемых в мик¬
роэлектронике диэлектриков имеют е = 10г500. Толщина пле¬
нок из них не может быть меньше 0,1 мкм из-за возникающих
дефектов.
В качестве диэлектриков для тонкопленочных конденса¬
торов применяют оксиды тантала Та205, кремния Si02 и алю¬
миния А12 Оз . При изготовлении тонкопленочного конденсатора
с диэлектриком из оксида тантала сначала на пластину наносят
слой тантала толщиной менее 1 мкм, который служит одним из
электродов. Диэлектрическая пленка оксида тантала образуется
в результате анодного окирления слоя тантала. Для получения
второго электрода на образовавшийся слой оксида тантала
наносят слой золота, алюминия или снова тантала. Пленки
оксида тантала позволяют получать удельную емкость конден¬
саторов порядка 105 пФ/см2. Высокая удельная емкость танта¬
ловых конденсаторов обусловлена не столько повышенной
диэлектрической проницаемостью оксида тантала (е = 20),
сколько возможностью нанесения тонких пленок диэлектрика.
В планарной технологии ИМС для изготовления тонкопле¬
ночных конденсаторов широко используют диэлектрические
пленки оксида кремния. Нижним электродом конденсатора в
случае монолитных ИМС часто служат поверхностный сильно
легированный слой полупроводника (пластина), а верхним -
слой алюминия, которые наносят электронно-лучевым испаре-
91

нием, реактивным и ионно-плазменным распылением, а также
пиролизом элементоорганических соединений. Пленки оксида
кремния обладают хорошими диэлектрическими свойствами и
позволяют получать конденсаторы с высокими эксплуатацион¬
ными показателями.
Кроме того, представляют интерес пленки оксидов титана,
иттрия, диспрозия, гольмия, эрбия, цирконатов лантана, самария
и гольмия, а также двойные бораты редкоземельных элементов.
Основные свойства тонких диэлектрических пленок приве¬
дены в табл. 25.
Таблица 25. Свойства диэлектрических пленок
Свойство
Пленка диэлектрика
Боросили¬
катное
стекло
SiO
Si02
А1203
Та20з
ТЮ2
Удельная емкость
Суд • 104, пФ/см2
1,2
0,8
3,5
1,5
2,5
2,0
Тангенс угла диэлектри-
— 3
ческих потерь tg 6 • 10
5
1
1
8
3
1,5
Электрическая проч¬
ность, кВ/мм
2
4
2
5
0,5
5
Температурный коэффи-
циент емкости а* 10 ,
1/°с
3,0
4,0
5,0
4,0
3,0
5,0
Диэлектрическая прони¬
цаемость
5
4
4
20
80
4
§ 47. ПАСТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Для изготовления толстопленочных (более 10 мкм) эле¬
ментов ГИС применяют различные материалы в виде паст. Пасты
позволяют получать методом шелкографии или сеткографии на
поверхности пластин требуемую конфигурацию. Метод создания
рельефа на поверхности пластины продавливанием вязкой пасты
через трафареты, изготовленные из шелка или металлической
сетки, соответственно называют шелкографией и сеткографией.
Пасты для изготовления проводящих элементов ГИС состо¬
ят из металла (Au, Ag, Pd, Bi, Pt), стеклофазы и органических
жидкостей. Каждый из этих компонентов формирует свойство
пасты: металл обеспечивает проводящие свойства толстых пле¬
нок, стекло удерживает частицы металла в состоянии точечных
контактов в течение обжига и создает условия хорошей адгезии,
92

а органические жидкости придают пастообразное состояние всей
композиции.
Металлы и стекло применяют в виде порошков с размером
частиц не более 5 мкм. Приготовляют пасты из смеси металли¬
ческих порошков (Au —Pt, Au — Pd, Au — Pd — Pt, Ag — Pd),
используя в качестве органических жидкостей различные спир¬
ты, эфиры и смолы.
Резистивные пасты изготовляют из смеси порошков метал¬
лов, стекла и оксидов металлов (оксид таллия — свинцово-боро¬
силикатное стекло — серебро; палладий — оксид висмута — ок¬
сид палладия; палладий — оксид палладия — серебро и др.).
Диэлектрические пасты применяют для изоляции мест пере¬
сечения проводников толстопленочных схем и защиты их эле¬
ментов от внешних воздействий. Основным функциональным
материалом этих паст служит стекло.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Из каких материалов изготовляют пластины для ИМС и ГИС?
2.	Каковы основные свойства резистивных сплавов?
3.	Каковы основные свойства проводящих пленок?
4.	Какие пасты используют для создания элементов толстопленочных
ГИС?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель!
Изучив эту книгу, вы узнали, какие требования предъявля¬
ют к различным материалам, применяемым для изготовления
полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Теперь вы знаете, что важно не только правильно выбрать полу¬
проводниковый материал, но и необходимо подобрать соответ¬
ствующие абразивные, химические, легирующие, фоторезистив-
ные, электродные и защитные материалы.
Настоящая книга должна стать основой при дальнейшем изу¬
чении вами технологии изготовления полупроводниковых при¬
боров и изделий микроэлектроники.
В процессе обучения и последующей деятельности вы, оче¬
видно, будете встречаться с новыми полупроводниковыми,
сверхполупроводниковыми, диэлектрическими и магнитными
материалами. Поэтому вы должны систематически углублять
свои знания, следить за технической литературой, изучать свой¬
ства новых материалов. Все это будет способствовать повыше¬
нию вашей квалификации, позволит сознательно и качественно
выполнять порученную работу и вносить свой вклад в развитие
микроэлектроники.
В добрый путь!
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тар ее в Б.М.
Электротехнические материалы. М., 1985.
Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем. М., 1980.
Материалы для производства деталей электронной техники / Кады-
кова Т.Н. и др. М., 1987.
Никулин Н.В. ЭлектроматериаловеДение. М., 1988.
Электрорадиоматериалы / Под ред. Б.М. Тареева. М., 1978.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение		3
Глава первая. Общие сведения о материалах микроэлектро¬
ники 		5
§ 1.	Классификация			5
§ 2.	Физические основы строения металлов и сплавов		6
§ 3.	Полупроводники и их свойства		8
§ 4.	Диэлектрики и их свойства		11
§ 5.	Магнитные материалы и их свойства		12
§ 6.	Пластические материалы и их свойства		13
§ 7.	Светочувствительные материалы и их свойства		15
Глава вторая. Полупроводниковые материалы		16
§ 8.	Основные требования		16
§ 9.	Классификация		17
§ 10.	Методы получения		18
§ 11.	Германий		20
§ 12.	Кремний		22
§ 13.	Полупроводниковые соединения		25
§ 14.	Полупроводниковые эпитаксиальные пленки		28
§ 15.	Контроль качества полупроводниковых материалов ...	30
Глава третья. Материалы для механической и химической
обработки полупроводников 		32
§ 16.	Классификация абразивных материалов		32
§ 17.	Алмазные порошки и пасты		34
§ 18.	Полировочные материалы 		35
§ 19.	Материалы для шлифовальников и полировальников . .	35
§ 20.	Материалы для крепления слитков и пластин при меха¬
нической обработке		37
§21. Материалы для отмывки пластин		39
§ 22. Химические жидкие смеси для травления		40
Глава четвертая. Материалы для фото-, рентгено- и элект-
ронолитографии 		44
§ 23.	Фоторезисты и их свойства		44
§ 24.	Рентгено- и электронорезисты		47
§ 25. Светочувствительные эмульсии 		48
§ 26.	Проявители для фото- и электронорезистов, эмульсий . .	49
§ 27.	Растворители для фото-и электронорезистов 		51
§28. Материалы для фотошаблонов		52
Глава пятая. Материалы для легирования полупроводников и
изготовления электродных выводов 		54
§ 29.	Акцепторные элементы		54
§ 30.	Донорные элементы		55
§ 31.	Диффузанты		57
§ 32.	Электродные металлы и сплавы		60
Глава шестая. Материалы для защиты р>л-переходов		64
§ 33. Основные требования		64
95

§ 34. Защитные лаки, эмали и компаунды		65
§35. Оксидные и нитридные пленки кремния		66
§ 36. Защитные стекла		68
Глава с е д ь м а я. Материалы для корпусов		71
§37. Металлы и сплавы		71
§ 38.	Стекла		74
§ 39.	Керамика		75
§ 40.	Пластмассы		80
§ 41.	Припои		82
§ 42.	Клеи		83
Глава восьмая. Материалы для изготовления пассивных эле¬
ментов интегральных микросхем		85
§ 43.	Пластины для интегральных микросхем		85
§ 44.	Резистивные материалы		87
§ 45.	Материалы для проводящих пленок		89
§ 46.	Материалы для тонкопленочных конденсаторов		91
§ 47.	Пасты для изготовления толстопленочных элементов
гибридных интегральных схем 		92
Заключение		94
Рекомендуемая литература		94
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 2
Анатолий Иванович Курносов
МАТЕРИАЛЫ
Зав. редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл. редак¬
торы Л.А. Васильева, Т.В. Шеганова. Художественный редактор
В.Г. Пасичник. Художник П.Б. Борисовский. Технический редак¬
тор Л.М. Матюшина. Корректор Г.Н. Буханова. Оператор
Г.А. Шестакова
ИБ № 7866
Изд. № ЭГ-204. Сдано в набор 25.01.89.. Подп. в печать 04.03.89.
Формат 84x1081/32. Бум. кн.-журн. Гарнитура Пресс-Роман. Печать
высокая. Объем 5,04 уел. печ. л. 5,25 уел. кр.-отт. 5,82 уч.-изд. л.
Тираж 30 000 экз. Зак. № 467. Цена 15 коп.
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная
ул., д. 29/14.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства.
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате Госкомпечати СССР.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.