Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
КНИГАКНИГАТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
КНИГА
КНИГА
МАТЕРИАЛЫ
Допущено Государственным комитетом СССР по народному образование в качестве учебного пособия для профессионально-технических училищ.
Бжбляетека С ПТ У Лз 59 г- i ОСКВЫ Инв.
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1989
ББК31.233Т38УЖ 621. 382ББК31.233Т38УЖ 621. 382
ББК31.233Т38
УЖ 621. 382
ББК31.233Т38
УЖ 621. 382
А.И. Курносов
Рецензенты: канд. техн, наук, доц. Ю.С. Чернозубов (Московский институт электронного машиностроения); преп. М.Г. Крутикова (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 материалов, используемых при производстве полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Рассмотрены полупроводниковые материалы, приведены сведения о материалах, применяемых при их механической и химической обработке, фотолитографии, диффузии, защите н герметизации р-и-переходов, а также для изготовления конструктивных элементов корпусов.
БЕК 31.2336ФО.32БЕК 31.2336ФО.32т2302030700(4307000000) - 286 052 (01)-89
БЕК 31.233
6ФО.32
БЕК 31.233
6ФО.32
ISBN 5-06-000304-3ISBN 5-06-000304-3© Издательство "Высшая школа”, 1989
ISBN 5-06-000304-3
ISBN 5-06-000304-3
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 использованию 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 культуры производства, но и от правильного выбора материалов, элекрофизические свойства которых во многих случаях определяют параметры полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС), оказывают влияние на стабильность их работы в различных режимах.
В технологическом процессе изготовления полупроводниковых приборов и ИМС широко используют как известные материалы (полупроводники, металлы, сплавы, различные химические реактивы), так и новые, специально разработанные для полупроводниковой технологии (фото-, электроно- и рентгено- резисты, диффузанты, стекла), которые должны отвечать определенным 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 алмазосодержащими дисками, а затем шлифуют и полируют абразивными и алмазными микропорошками на шлифовальниках и полировальниках. После механической обработки полупроводниковые пластины подвергают травлению в специальных травильных смесях, основными компонентами которых являются кислоты, щелочи, соли. Химическая обработка пластин заканчивается отмывкой их в особо чистой воде.
В планарной технологии изготовления изделий микрозлект- роники используют защитные диэлектрические пленки диоксида и нитрида кремния, оксида алюминия.
Специфическими материалами являются фото-, электронои рентгенорезисты, позволяющие получать на поверхности полупроводниковых пластин рельефы рисунков будущих приборов и ИМС с размерами элементов менее 1 мкм.
Для создания в исходных пластинах полупроводника областей различной электропроводности проводят диффузию легирующих примесей, в качестве которых используют твердые, жидкие и газообразные диффузанты.
Различные электродные материалы (металлы и сплавы) позволяют изготовлять омические контакты к активным и пассивным областям ИМС, а также токоведущие дорожки.
Одной из основных технологических операций является защита активных и пассивных областей ИМС от внешних воздействий, 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 стеклянных, металлостеклянных, 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
КЛАССИФИКАЦИЯ
Материалы, используемые при изготовлении полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники, можно подразделить на четыре группы: основные, технологические, конструкционные и вспомогательные.
К основным материалам относят полупроводниковые, являющиеся основой при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, светоизлучающих приборов, фотопреобразователей, солнечных батарей, твердотельных лазеров и многих других изделий микроэлектроники.
Технологические матери ал-ы различного назначения применяют в технологических процессах производства микроэлектронных изделий. К ним относятся: абразивные материалы для механической обработки исходных полупроводниковых слитков и пластин; химические материалы (растворители и травители) для обезжиривания и травления полупроводниковых пластин, а также химические реагенты для создания на их поверхности различных защитных диэлектрических покрытий (пленок SiO2, SiaN4, А12О3); материалы, позволяющие формировать 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.), используемые 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 (газовых сред) при проведении многих технологических операций производственного процесса (диффузии, окисления, создания омических контактов, сушки, сборки, пайки, герметизации и др.). К вспомогательным относят также материалы дня изго- 5
„„„„«пений и оснастки (кассет, лодочек, тиглей, годст^к”травильных устройств и др.). Кроме того, на многих технологических операциях важную роль играет особо чистая вода Для придания готовым изделиям товарного вида используются различные краски.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлами называют вещества, обладающие высокими теплопроводностью, электропроводностью, ковкостью, пластичностью и прочностью, а также характерным блеском.
Свойства металлов обусловлены строением их кристаллической решетки. Большинство металлов имеют гранецентрированную, объемно центрированную кубическую или плотноупа- кованную гексагональную решетку.
В металлах валентные электроны не локализуются в атомах, а обобществляются и свободно перемещаются внутри кристаллической решетки, образуя так называемый ’’электронный газ”. Атомы, отдав электроны, превращаются в положительно заряженные 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 (алюминий, магний, медь, цинк и др.), которые, в свою очередь, делят на легкие, тяжелые, тугоплавкие, благородные, рассеянные, 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 образовании 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 растворов. Однако есть металлы, которые ограниченно взаимно растворяются 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.
Существуют три структурных типа твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. В твердых растворах замещения атомы растворенного металла замещают в узлах кристаллической решетки атомы металла-растворителя, распределяясь среди них по определенному закону. В твердых растворах внедрения 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 недостатке одного из компонентов сплава.
Поскольку атомы растворителя и растворенного металла (элемента) имеют отличные друг от друга радиусы, кристаллические решетки твердого раствора замещения искажаются. Еще более значительные искажения кристаллических решеток сплава возникают при образовании твердых растворов внедрения и вычитания. В этих случаях нельзя говорить о каком-то определенном периоде кристаллической решетки твердого раствора, а лишь о среднем его значении. Так, при образовании твердых растворов замещения (рис. 1,я— г) растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя (Гд > гБ ), вызывает уменьшение периода кристаллической решетки (dc < dA). При растворении элементов с большим радиусом (Гд < гБ) период решетки возрастает (dc > с?А).
Рис. 1. Искажение строения твердого раствора замещения при атомных радиусах растворителя больше (а, б) и меньше (в, г) атомных радиусов растворенных элементов
ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ СВОЙСТВА
Полупроводниками называют вещества, электропроводность которых лежит в промежутке между электропроводностью металлов и днэ- лектрикои.
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, нарушающих периодичность кристаллической решетки.
При введении примесей в полупроводник изменяется не только его электропроводность, но и ее температурная зависимость. Совершенство кристаллической структуры полупроводников является основным критерием их применимости для изготовления изделий микроэлектроники.
В зависимости от чистоты материала полупроводники делятся на собственные и примесные.
В собственных полупроводниках примеси отсутствуют. Однако получить беспримесный полупроводник достаточно трудно. Поэтому под собственным понимают полупроводник, в котором влиянием остаточных примесей при определенной температуре можно пренебречь. Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля (—273 °C) не обладает электропроводностью, так как все его валентные электроны не являются свободными, т.е. в этом случае собственный полупроводник ведет себя как диэлектрик. При температурах, отличных от абсолютного нуля, возможен отрыв электрона от атома эа 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 (дырка). Причем количество образовавшихся электронов равно количеству образовавшихся дырок.
В примесных полупроводниках- электрофизические свойства определяются типом и количеством введенной примеси. В зависимости от типа введенной примеси различают полупроводники электронного — и-типа и дырочного - p-типа электропроводности. Примеси, которые приводят к образованию дополнительных электронов или дырок, соответственно называют донорами и акцепторами (рис. 2, а, б).
Рис. 2. Структура примесных полупроводников:а — кремния, легированного фосфором, б - кремния, легированного боромРис. 2. Структура примесных полупроводников:а — кремния, легированного фосфором, б - кремния, легированного бором
Рис. 2. Структура примесных полупроводников:
а — кремния, легированного фосфором, б - кремния, легированного бором
Рис. 2. Структура примесных полупроводников:
а — кремния, легированного фосфором, б - кремния, легированного бором
Рис. 3. Зависимости концентрации носителей заряда полупроводников с различной концентрацией донорной примеси от температуры:
1-2 и 2-3 — примесного, 3, 6 - собственного, 5-4 — вырожденного
Полупроводник с такой высокой концентрацией введенной примеси, при которой образовавшаяся примесная зона перекрывается с зоной проводимости, называют вырожденным. Температурная зависимость вырожденного полупроводника в диапазоне примесной электропроводности постоянна. Так как вырожденный 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 Tj до Г2 происходит образование свободных электронов за счет атомов примеси (донорных) и концентрация свободных носителей заряда растет (отрезок 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 свободными, а электроны собственного полупроводника еще связаны со своими атомами. При температуре выше Т3 начинают появляться свободные электроны собственного полупроводника за счет разрыва ковалентных связей между атомами (отрезок 3-6). При больших концентрациях донорной примеси полупроводник становится вырожденным и его температурная зависимость выражается ломаной линией, состоящей из двух отрезков 9
5—4 и 4—5. Отрезок 5—4 характеризует постоянное количество носителей заряда, которое с ростом температуры не изменяется, а отрезок 4—6 — их увеличение за счет разрыва ковалентных связей собственного полупроводника.
Одним из характерных свойств является фотопроводимость полупроводников — изменение их электропроводности при освещении светом. Причем в зависимости от природы облучаемого полупроводникового материала длина волны падающего света может меняться от ультрафиолетовой до инфракрасной области. Фотопроводимость полупроводников зависит от интенсивности и длины волны падающего света. Другим интересным свойством полупроводников является возникновение в них под действием разности температур разности потенциалов, которую называют термоэлектродвижущей силой.
При неравномерном нагреве однородного по распределению примесей кристалла полупроводника возникает разность концентрации носителей заряда, которая приводит к появлению их диффузионного потока из нагретой области в более холодную, т.е. возникновению термо-эдс. При прохождении электрического тока через образец полупроводника в определенном направлении 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 диффузионная длина носителей заряда.
Подвижность носителей заряда — это отношение,их средней скорости направленного движения к напряженности электрического поля. Действительно, под действием электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения (дрейфа) и создают электрический ток. В полупроводниках п- и p-типов различают подвижность электронов и подвижность дырок.
Время жизни носителей заряда — это время, в течение которого их избыточная концентрация уменьшается в е раз (е — основание натурального логарифма). Фактически это время существования носителя заряда от момента его возникновения (генерации) 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 повышением температуры время жизни возрастает, так как в этом случае затрудняется захват носителей заряда дефектами.
Диффузионная длина - это расстояние, на котором в полупроводнике 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 исходного полупроводника, тем больше время жизни и диффузионная длина носителей заряда.
ДИЭЛЕКТРИКИ И ИХ СВОЙСТВА
Диэлектриками называют вещества, которые практически ие проводят электрический ток. Диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными.
Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в твердых диэлекриках, так как они наиболее широко используются 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 сегнетоэлектриками. Поляризация может происходить также при приложении к диэлектрику механического напряжения. Процессы поляризации диэлектриков характеризуются диэлектрической проницаемостью и диэлектрической восприимчивостью.
Диэлектрическая проницаемость определяется отношением емкости конденсатора, в котором в качестве изолятора использован исследуемый диэлектрик, к емкости такого же конденсатора, изолятором в котором является вакуум.
Диэлектрическая восприимчивость показывает способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле
Важной характеристикой диэлектриков является поверхностная электропроводность. Физические процессы, протекающие на поверхности диэлектрика, связаны с образованием адсорбированных слоев влаги и газов. Для обнаружения заметной поверхностной электропроводности достаточно, чтобы на поверхности диэлектрика был тонкий слой влаги. Кроме того, поверхностная электропроводность диэлектриков существенно зависит от количества и характера загрязнений, дефектов поверхности, а также от относительной влажности среды, в которой проводят измерения. Для снижения поверхностной электропроводности диэлектриков необходимо тщательно обрабатывать их поверхность и очищать ее от загрязнений.
При постоянном воздействии электрического поля в диэлектрике выделяется определенное количество теплоты, т.е. происходят потери электрической мощности, называемые диэлектрическими потерями и характеризуемые углом диэлектрических потерь или его тангенсом. Угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи, называют углом диэлектрических потерь. В идеальном диэлектрике угол диэлектрических потерь равен нулю, а в реальных отличен от нуля. Чем больше мощность, рассеиваемая в диэлектрике, тем меньше угол сдвига фаз и тем больше угол диэлектрических 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 напряжение, которое приводит к пробою диэлектрика, называют пробивным. Пробивное напряжение характеризует способность диэлектрического материала противостоять электрическому полю.
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
Под действием внешних магнитных полей некоторые материалы приобретают магнитные моменты. Магнитный момент, отнесенный к единице объема материала, называют намагниченностью. Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля коэффициентом, называемым магнитной восприимчивостью. В зависимости от воздействия магнитного поля все материалы можно разделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетики — это вещества, магнитная восприимчивость которых отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся некоторые металлы (медь, серебро, золото, цинк и др.), полупроводники (германий, кремний, соединения типа Аш В*, AnBv*) и большинство органических соединений.
Парамагнетики — это вещества, обладающие положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся щелочные, щелочно-земельные и некоторые переходные металлы, соли железа,, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
Ферромагнетики - это вещества, обладающие большой 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 состава на основе оксидов железа и двухвалентных (или одновалентных - реже) металлов.
Антиферромагнетики — это вещества с небольшой положительной магнитной восприимчивостью, которая значительно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетики переходят в парамагнитное состояние. Такими материалами являются хром, марганец, редкоземельные элементы.
Ферримагнетики - это вещества, обладающие высокой магнитной восприимчивостью, существенно зависящей от магнитного поля и температуры. Магнитные свойства ферримагнетиков обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Такими материалами являются оксидные соединения — ферриты.
Монокристаллические ферромагнитные материалы обладают неодинаковыми магнитными свойствами в различных кристаллографических направлениях - магнитной анизотропией. Существуют направления слабого и сильного намагничивания.
Магнитные свойства материалов характеризуются магнитной проницаемостью — отношением магнитной индукции к произведению напряженности магнитного поля на магнитную постоянную. Магнитная проницаемость диамагнетиков несколько меньше единицы, парамагнетиков — чуть больше единицы, а ферромагнетиков — значительно больше единицы.
Важным свойством магнитных материалов является магнитострикция — 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 оказывает температура. Так, при нагреве ферромагнетиков уменьшается их спонтанная намагниченность, магнитная проницаемость сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается и, кроме того, ослабевает эффект магнитострикции и магнитной кристаллографической анизотропии.
ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
Пластмассами называют материалы, получаемые иа основе природных или синтетических смол (полимеров) и способные под дейстиием нагрева и давления формоватьси в изделия нужной формы, а затем устойчиво сохранять ее.
Пластмассы состоят из основы (связующего вещества), наполнителя, отвердителя, пластификатора и смазывающих добавок. В качестве связующего вещества используют различные эпоксидные, кремнийорганические и полиэфирные смолы. Наполнитель обеспечивает требуемые механические свойства пластмасс и представляет собой порошок из стекла, талька, асбеста, графита или других материалов. Отвердитель является важной составной частью пластмасс, так как обеспечивает переход смол из жидкого тягучего состояния в твердое. В качестве отвердителей используют диэтилентриамин, гексаметилендиамин и др. Пластификатор повышает эластичность пластмасс. В качестве пластификаторов используют эфиры многоатомных спиртов, олеиновую кислоту, стеарин и дибутил фтал ат. Смазывающие добавки (воск, парафин) позволяют избежать прилипания пластмассы к стенкам литьевой формы.
По виду связующего материала пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. '
Термопластичные пластмассы под действием температуры могут переходить из жидкого состояния в твердое (при охлаждении) и из твердого состояния в жидкое (при повторном нагреве), т.е. являются термообратимыми.
Термореактивные пластмассы под действием температуры переходят из жидкого состояния в твердое (при охлаждении), но при повторном нагреве не переходят из твердого 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; температурный коэффициент линейного расширения в пределах от 5 • 10~6 до 10“* 1/ °C; хорошие электроизоляционные свойства (диэлектрическая проницаемость равна 1—10, удельное сопротивление — 1012 —1018 Ом - см, диэлектрические потери не превышают 0,1, а электрическая прочность составляет 10— 70 кВ/мм);. высокие коррозионная и химическая стойкость; хорошие механические, а также технологические свойства (возможность 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 стойкие, способные сохранять свои свойства при длительной химической обработке и в условиях повышенной влажности; ударопрочные; жаропрочные; радиационностойкие; тепло- и звукоизоляционные; тропикоустойчивые; вибростойкие, светотехнические и оптические.
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 светочувствительных материалов: фотографические эмульсии и фоторезисты.
Фотографические эмульсии являются основными материалами для проведения различных фотографических процессов, бывают позитивными и негативными и представляют собой водные растворы желатины с равномерным распределением галогенидов серебра и небольшого количества пластификаторов, дубителей и красителей.
Фоторезисты являются основными материалами в производстве изделий микроэлектроники и представляют собой сложные полимерно-мономерные вещества, в которых под действием света определенной длины волны (определенного спектрального состава) протекают фотохимические реакции, приводящие к изменению растворимости. Другими словами, фоторезисты, с одной стороны, являются светочувствительными материалами, предназначенными для создания на поверхности пластины рельефа рисунка, а с другой — обладают резистивными (защитными) свойствами, позволяющими выдерживать им травление в кислотах, щелочах и других агрессивных средах.
Фоторезисты, как и фотоэмульсии, бывают негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света образуют нерастворимые участки пленки на поверхности пластин в результате процесса фотополимеризации; необлученные участки пленки при проявлении легко удаляются. Рисунок (рельеф) фоторезиста, оставшегося на поверхности пластины, представляет собой негативное изображение, повторяющее оригинал. Позитивные 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 светочувствительность.
Адгезионной способностью определяется стойкость пленки светочувствительного материала к воздействию внешних факторов. Определяющей предпосылкой для получения высокой адгезионной способности является хорошая смачиваемость поверхности пластины светочувствительным составом, ее чистота, а также режимы формирования светочувствительного слоя.
Адгезия* пленки фоторезиста к поверхности подложки значительно ухудшается, если поверхность пластины плохо обработана. Так, при наличии жировых пятен, адсорбированных газов, ионов чужеродных примесей на поверхности пластин появляются участки с плохой адгезией фоторезиста. Микрориски и микроуглубления также снижают адгезию, так как воздух плохо удаляется из этих структурных дефектов поверхности. Кроме того, адгезия зависит от методов и режимов нанесения фоторезиста.
Разрешающая способность светочувствительного материала определяется числом линий одинаковой толщины 1, разделенных промежутками такой же толщины, которые могут быть получены на 1 мм поверхности пластины без слияния.
Под светочувствительностью понимают способность материала под действием света определенной длины волны или совокупности длин волн изменять свои первоначальные свойства.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
. Как классифицируют материалы электронной техники?
. Каковы свойства металлов и сплавов?
. Какими свойствами характеризуются полупроводники?
. Чем диэлектрики отличаются от полупроводников и металлов?
. Какие магнитные свойства материалов вы знаете?
. В чем отличие термопластичных пластмасс от термореактивных?
. Какими свойствами должны обладать светочувствительные материалы?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
8. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Полупроводниковые материалы, применяемые для изготовления различньгх изделий микроэлектроники, должны отвечать ряду требований. Пригодность того или иного полупроводникового материала определяется его кристаллической структурой, шириной запрещенной зоны, положением примесных уровней
♦Адгезия - прилипание (слипание) разнородных твердых или жидких тел (фаз) друг к другу, обусловленное межмолекулярным взаимодействием. 16
и однородностью распределения примесей по объему. Оптическими, термическими, термоэлектрическими и электрическими свойствами полупроводниковых материалов определяются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Особые требования предъявляют к таким свойствам полупроводниковых материалов, как тип электропроводности, концентрация введенной примеси, подвижность и время жизни носителей заряда.
Требование однородности легирования примесями всего объема полупроводникового материала вытекает из необходимости обеспечить одинаковые электрические параметры всей партии приборов и ИМС, изготовленных на пластинах из одного слитка исходного материала. Требование температуростойкости диктуется максимальными и минимальными рабочими температурами, при которых должны работать приборы или ИМС. Верхний предел рабочих температур полупроводниковых приборов зависит от ширины запрещенной зоны материала: чем она больше, тем больше верхний предел. Так, температуростойкость германиевых приборов 80—100 °C, кремниевых 180—200 °C, из арсенида галлия 350 °C, фосфида галлия 500 °C, карбида кремния до 700 °C. Нижний предел рабочих температур полупроводниковых приборов определяется энергией ионизации легирующих примесей, которая при температурах до —60 ° С должна быть значительной.
Для изготовления высокочастотных приборов и ИМС необходим материал с высокой подвижностью носителей заряда, а импульсных приборов — с малым временем жизни.
При выборе полупроводникового материала для фотоприборов руководствуются его спектральной чувствительностью. Основным параметром материалов для изготовления светоизлучающих приборов является длина волны излучения.
9. КЛАССИФИКАЦИЯ
Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на простые и сложные.
Простыми полупроводниковыми материалами являются химические элементы: бор В, углерод С, германий 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 материалами являются химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие два, три и более 2-467 17
элементов. Например, арсенид галлия GaAs, теллурид висмута Bi2 Те3, силицид цинка и фосфора ZnSiP2 • Полупроводниковые соединения этой группы, состоящие из двух элементов и называемые бинарными, имеют, как это принято в неорганической химии, наименования того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серы — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами.
Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (А — первый компонент, В — второй, С — третий и т.д.) с цифровыми индексами (римские цифры над буквами обозначают группу элементов в периодической системе, а арабские цифры под буквами - стехиометрический коэффициент). Например, такое бинарное соединение, как фосфид индия InP, имеет обозначения А^вУ, теллурид висмута В12Те3 — АУ ВУ1, силицид цинка и фосфора ZnSiP2 - AIIBIV, СУ-
Твердые растворы полупроводниковых материалов обозначают символами входящих в них элементов с индексами, которые указывают атомную долю этих элементов в растворе. Например, твердый раствор германий—кремний (Ge—Si) обозначают в общем виде Si^ xGex, а твердый раствор арсенида и фосфида индия (InAs-InP) - InAs^^Pj., где х - атомная доля компонента твердого раствора, которая лежит в пределах 0 < х < 1.
10. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Воспроизводимость электрических параметров изделий микроэлектроники зависит от структурного совершенства исходного полупроводникового материала и степени его чистоты. Получают материалы монокристаллической структуры с минимальным количеством посторонних примесей сложным технологическим процессом.
Изготовление монокристаллического германия состоит из следующих основных операций: получения тетрахлорида германия и его очистки; гидролиза тетрахлорида германия и получения из него диоксида германия; восстановления диоксида германия водородом и получения поликристаллического слитка; очистки слитка от примесей зонной плавкой; выращивания из расплавленного поликристаллического германия слитка монокристаллического германия.
Технический кремний получают восстановлением диоксида кремния электрической дугой, создаваемой между графитовыми электродами. Такой кремний содержит большое количество примесей, поэтому его превращают в легколетучее соедине- 18
Наиболее совершенные монокристаллические слитки германия и кремния выращивают из расплава (рис. 5). Рабочим объемом служит герметичная водоохлаждаемая камера 1, в которойНаиболее совершенные монокристаллические слитки германия и кремния выращивают из расплава (рис. 5). Рабочим объемом служит герметичная водоохлаждаемая камера 1, в которой5)Рис. 4. Схемы установки очистки полупроводниковых материалов зонной плавкой:а - тигельной, б - бестигельной; 1 - кварцевая труба, 2 - индуктор-нагреватель, 3 — лодочка-тигель, 4 — расплавленная зона полупроводника, 5 — слиток5)Рис. 4. Схемы установки очистки полупроводниковых материалов зонной плавкой:а - тигельной, б - бестигельной; 1 - кварцевая труба, 2 - индуктор-нагреватель, 3 — лодочка-тигель, 4 — расплавленная зона полупроводника, 5 — слиток2**2**1919
Наиболее совершенные монокристаллические слитки германия и кремния выращивают из расплава (рис. 5). Рабочим объемом служит герметичная водоохлаждаемая камера 1, в которой
Наиболее совершенные монокристаллические слитки германия и кремния выращивают из расплава (рис. 5). Рабочим объемом служит герметичная водоохлаждаемая камера 1, в которой
5)
Рис. 4. Схемы установки очистки полупроводниковых материалов зонной плавкой:
а - тигельной, б - бестигельной; 1 - кварцевая труба, 2 - индуктор-нагреватель, 3 — лодочка-тигель, 4 — расплавленная зона полупроводника, 5 — слиток
5)
Рис. 4. Схемы установки очистки полупроводниковых материалов зонной плавкой:
а - тигельной, б - бестигельной; 1 - кварцевая труба, 2 - индуктор-нагреватель, 3 — лодочка-тигель, 4 — расплавленная зона полупроводника, 5 — слиток
2**
2**
19
19
ние, которое после очистки восстанавливают до чистого поли- кристаллического кремния. Поликристаллический кремний очищают зонной плавкой, а затем из расплава выращивают монокристаллические слитки.
Тигельный и бестигельный методы очистки полупроводниковых материалов зонной плавкой (рис. 4, а, б) основаны на неодинаковой 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 многократным прохождением расплавленной зоны через слиток. Для ускорения процесса очистки обычно используют несколько расплавленных зон, что эквивалентно нескольким циклам однозонной очистки.
Рис. 5. Схема установки для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов из расплава:
1 — рабочая камера, 2 — смотровое окно, 3 - нагреватель, 4 — экран, 5, 11 — штоки для вращения тигля и затравки, 6, 7 — графитовый и кварцевый тигли, 8 - расплав полупроводника, 9 — слиток монокристалла, 10— затравка
располагают кварцевый тигель 7 с очищенной зонной плавкой германием или кремнием, нагреватель 3 в виде корзинки, система 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 поверхностью 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 скоростями в противоположных направлениях. Изменяя режим выращивания, 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 A^BV (арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, арсенид индия InAs, антимонид индия InSb, антимонид галлия Ga Sb и др.) получают сплавлением особо чистых исходных веществ. Монокристаллические слитки выращивают из расплава или получают направленной кристаллизацией, бестигельной зонной плавкой.
Полупроводниковые соединения типа AnBVI (CdS, CdSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdTe и др.) получают непосредственным взаимодействием при нагревании соответствующих веществ (S, Se, Те) с металлом (Cd, Zn).
Полупроводниковые соединения типа А^В^ (PbS, PbSe, РЬТе и др.) получают синтезом соответствующих веществ, причем избыток свинца вызывает электронную электропроводность, 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 °C. Плотность при комнатной температуре 5,35 г/см*. При плавлении плотность 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 ковалентный кристаллический материал, обладающий характерным блеском. Механическая обработка германия затруднена, а на обычных токарных, сверлильных и фрезерных станках вообще невозможна 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 °C окисляется до диоксида германия. В обычных условиях германий не растворяется в воде, соляной и серной кислотах. Активно растворяют германий смеси азотной и плавиковой, а также соляной и азотной кислот, раствор пероксида водорода и водные растворы щелочей. Так как расплавленный германий не взаимодействует с кварцем и графитом, в полупроводниковом производстве при проведении различных термических операций широ
ко используют кварцевые и графитовые тигли, лодочки, кассеты и другие приспособления.
Несмотря на сравнительно малую токсичность, германий способен вызывать хроническое отравление при длительном воздействии даже в малых дозах. Предельно допустимая концентрация гермавия в воздухе рабочих помещений ие должна превышать 2 мг/м3.
В производстве полупро- ^^ ^’ Зависимость удельного rг сопротивления германия от кон-
водниковых приборов И мик- центрацин акцепторных и донорных росхем используют германий примесей электронного и дырочного типов электропроводности, обладающий удельным сопротивлением 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
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 электрическое сопротивление материала. Тип электропроводности и удельное сопротивление германия определяются количеством введенных акцепторных или донорных примесей (рис. 6).
12. КРЕМНИЙ
Кремний — самый распространенный после кислорода элемент: он составляет более 25 % массы земной коры. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Наиболее распространенным соединением кремния является диоксид кремния SiO2, 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 °C. Плотность твердого кремния при 20 °C 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 °C интенсивно окисляется с образованием диоксида кремния. Расплавленный кремний обладает высокой химической активностью, поэтому подбор материалов для изготовления тиглей, лодочек, кассет для проведения термических процессов — трудная задача. Такие материалы, как кварц и графит, при высоких температурах взаимодействуют с кремнием. При нагревании до 200—700 С кремний реагирует с галогенами, образуя галогениды кремния (например, SiF4, SiCl4, SiBr4, SiJ4), а при 1100 °C способен непосредственно соединяться с азотом и углеродом, образуя соответственно нитрид Si3N4 и карбид SiC кремния.
Для химической обработки кремния наиболее часто используют смеси азотной и плавиковой кислот, а также водные растворы щелочей (КОН, NaOH). При работе с кремнием необходимо помнить, что его частицы, попадая в дыхательные органы человека, могут вызвать заболевание легких (силикоз). 22
Рис. 7. Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации акцепторных и донорных примесейРис. 7. Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации акцепторных и донорных примесей
Рис. 7. Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации акцепторных и донорных примесей
Рис. 7. Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации акцепторных и донорных примесей
Промышленностью выпускается кремний различных марок. Поликристаллический кремний КП. имеет удельное сопротивление от 10 до 130 Ом ■ см и изготовляется в виде стержней разных диаметров. Из поликристалли- ческого кремния получают монокристаллический кремний. Высокоомный кремний КМД-1 - КМД-6 (К - кремний, М - моносилановый, Д - дырочного типа электропроводности) выпускается шести групп в зависимости от удельного 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 КДБ (К — кремний, Э и Д — электронного и дырочного типов электропроводности, Ф, Б, С и 3 — легированный фосфором, бором, сурьмой и золотом) выпускается пятнадцати групп (табл. 1).
Монокристаллический кремний для эпитаксиальных структур 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 монокристаллического кремния
Марка
Удельное сопротивление, Ом • см
Тип электропроводности
Легирующая примесь
Разброс удельного сопротивления, %
Группа
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
2В
КЭФ
50-140
п
»
30
2 Г
КЭФ
100-250
п
»
30
2Д
КДБ
500-2000
р
Бор
35
2Е
23
Марка
Удельное сопротивление, Ом • см
Тип электропроводности
Легирующая примесь
Разброс удельного сопротивления, %
Группа
КЭФ
0,005-1,0
п
Фосфор
35
3 А
К ДБ
0,005-1,0
р
Бор
7
3 Б
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 монокристаллического кремния для эпитаксиальных структур
Марка
Группа
Под-
Удельное сопротив-
Разброс удельного
Диаметр слитка,
группа
ление, Ом * см
сопротивления, %
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
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 кристаллической решетке которой каждый атом элемента III группы находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента V группы и наоборот. Атомы элементов II группы способны замещать атомы элементов третьей группы в соединении AmBv и проявлять акцепторные свойства, а атомы элементов VI группы — атомы элементов V группы и проявлять донорные свойства. Наиболее часто в качестве акцепторных элементов используют цинк и кадмий, а в качестве донорных — селен и теллур. Основные свойства соединений типа A^BV приведены в табл. 3.
Ш V
Таблица 3. Свойства соединений типа А В
Свойство
Соединение
GaN
GaAs
GaP InP InAs
GaSb
In Sb
Постоянная ре
шетки, нм0,310,560,550,590,610,610,65
Плотность, г/см3 6,115,324,074,785,675,655,78
Температура
плавления, °C 1700 123814671070942710525
Ширина запре
щенной зоны,
эВ3,41,432,261,350,360,720,18
Подвижность,
см2/(В-с):
электронов 3008800200460030005000 70 000
дырок10040012015 0200 10001 000
КТР-10"6,1/°С5,65,35,94,65,37,05,5
Показатель пре
ломления2,43,63,43,43,53,84,0
Диэлектричес
кая проницае
мость12,213,111,112,415,714,617,7
В полупроводниковом производстве наиболее часто приме-
няют арсенид, фосфид и антимонид галлия, арсенид и антимонид
индия.
р, Ом смр, Ом смРис. 8. Зависимость удельного сопротивления арсенида галлия от концентрации акцепторных и донорных примесейРис. 8. Зависимость удельного сопротивления арсенида галлия от концентрации акцепторных и донорных примесей
р, Ом см
р, Ом см
Рис. 8. Зависимость удельного сопротивления арсенида галлия от концентрации акцепторных и донорных примесей
Рис. 8. Зависимость удельного сопротивления арсенида галлия от концентрации акцепторных и донорных примесей
Арсенид галлия выпускается в виде монокристаллических слитков четырех марок: АГЭ, АГЭТ, АГДЦ и АГП (А и Г — арсенид галлия, Э и Д — электронного и дырочного типов электропроводности, Т и Ц — легирующий элемент — теллур и цинк, П — полуизолирующий). Две цифры, обычно стоящие после буквенного обозначения, указывают: первая — номинальную концентрацию носителей заряда, а вторая является показателем степени десятичного порядка этой величины (например, в обозначении АГЭ-4-15 цифры указывают концентрацию, равную 4 • 1015 см"3).
Тип электропроводности и удельное сопротивление арсенида галлия определяются количеством введенных в исходный материал акцепторных или донорных примесей (рис. 8).
Фосфид галлия представляет собой монокристаллические
слитки или дендритные пластины и выпускается шести марок: ФГЭТ-К/10, ФГЭТ-О/20, ФГЭТ-3/50, ФГЭТК-К/30, ФГДЦ-3 и ФГДЦК-К. Буквы в числителе дроби обозначают: ФГ — фосфид
галлия, Т, Ц и К — легирующую примесь (теллур, цинк, кислород), буква после дефиса — цвет свечения материала (К — красный, О — оранжевый, 3 — зеленый), а цифра в знаменателе — минимальную яркость свечения (кд/м2).
Антимонид галлия выпускается в виде монокристаллических слитков следующих марок: ГСД, ГСДГ, ГСДГ(Ц) и ГСЭ(Т) (ГС — галлий и сурьма; Г, Ц и Т — легирующая примесь — германий, цинк, теллур).
Арсенид индия выпуска
ется в виде монокристаллических слитков следующих марок: ИМЭ, ИМЭТ, ИМЭО и ИМДЦ (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, галлий, цинк).
Соединения типа Ап BVI представляют собой сульфиды, селениды и теллуриды некоторых металлов (цинка, кадмия и ртути) и имеют структуру сфалерита или вюрцита. Хими- 26
ческая связь носит смешанный ковалентно-ионный характер. Атомы элементов I группы (медь, серебро, золото) могут замещать в кристаллической решетке полупроводникового соединения 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 приведены в табл. 4.
я VI
Таблица 4. Свойства соединений типа А В
Свойство
Соединение
CdS
CdSe
Cd ТеZnS
ZnSe
ZnTe
Постоянная ре
шетки, нм0,580,600,640,540,560,61
Плотность,
г/см34,85,85,84,15,46,1
Температура
плавления, °C 175012641041178015201239
Ширина запре
щенной зоны,
эВ2,51,851,513,742,732,23
Подвижность,
см2/(В • с):
электронов3007501200140260500
дырок70206051530
КТР • 10"6,
1/°С4,84,55,66,87,29,8
Соединения типа А^ Bvl представляют собой
халькогены свинца PbS, PbSe, РЬТе, имеющие кубическую
кристаллическую решетку. Электрические свойства этих соединений 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 (например, висмута) замещают атомы свинца и являются донорами. Донорные свойства проявляют также атомы элементов VII группы (галогены). Основные свойства соединений типа А^В^ приведены в табл. 5.
Таблица 5. Свойства соединений типа А В
Соединение
Свойство
PbSPbSePbTe
Постоянная решетки, нм
Плотность, г/см3
Температура плавления, С
0,590,610,64
7,68,16,4
11141076917
Ширина запрещенной зоны, эВ
Подвижность, см2 / (В ■ с) :
0,390,27и,32
электронов дырок
60012001800
6001000900
14. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ
Процесс осаждения монокристаллических полупроводниковых пленок на монокристаллические пластины, называемый эпитаксией, занимает ведущее место в промышленном изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС.
Тонкий слой осажденного полупроводникового материала, повторяющий структуру исходной пластины, называют эпитаксиальным. Если пластина и осажденный на нее слой выполнены из одного материала (кремний — кремний), процесс называют автоэпитаксиальным, а если из разных (кремний — селенид свинца) — гетероэпитаксиалъным. Эпитаксией получают как простые (однослойные) эпитаксиальные структуры, так и сложные (многослойные) .
Однослойные эпитаксиальные структуры кремния наиболее часто выращивают на пластинах кремния, сапфира, а реже — ситалла и кварца и обозначают, например, так: 60 8.КДБ4у— где цифра геред дробью указывает диаметр плас- 200 КЭС-0,01
тины (структуры); первая цифра в числителе — толщину эпитаксиального слоя, а в знаменателе — толщину пластины; буквы и следующие за ними через дефис цифры в числителе и знаменателе — соответственно марки и поминал удельного сопротивления кремния эпитаксиального слоя и пластины.
Многослойные эпитаксиальные структуры кремния представляют собой композиции, осажденные в виде нескольких эпитаксиальных слоев на одну или обе поверхности пластины, и имеют следующие обозначения: 28
10 ЭКДБ-0,001ЮО 70КДБ-10
10 ЭКДБ-0,001
120
20 ЭКДБ-50
30 К ЭФ-0,02 90 К ЭФ-0,02
В первой структуре слои осаждены на обе стороны пластины. 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 д^^'5’ где буквы перед дробью указывают название структуры (кремний на сапфире), цифра, буквы и следующие за ними цифры в числителе — соответственно толщину эпитаксиального слоя, марку кремния и номинал его удельного сопротивления, а цифра, буква и следующие за ней цифры в знаменателе — соответственно диаметр пластины, ее материал (сапфир) и толщину.
Эпитаксиальные структуры германия обозначают так же, как кремниевые, например: 40 ^^^ДМ^—.
150 ГДГЗ-0,75
Эпитаксиальные структуры соединений типа Аш Bv выпускаются одно-, двух- и трехслойными и имеют следующие обозначения:
4АГЭ-1-15
5 АГЭ-1-18
5 АГЭ-1-18
215 АГЭТ-5-18
15 АГДЦ-1-15
7 АГЭ-2-15
300АГДЦ-1-18
15 АГЭ-1-18
300 АГЭТ-5-18
В обозначении однослойных эпитаксиальных структур в числителе и знаменателе соответственно указываются параметры эпитаксиального слоя и пластины; в обозначении двухслойных структур в первой строке указываются параметры первого эпитаксиального слоя, во второй — второго, а в третьей — пластины. Аналогично расшифровывается обозначение трехслойной структуры.
гальванометра.гальванометра.
гальванометра.
гальванометра.
§ 15. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Полупроводниковые материалы, используемые в технологическом цикле изготовления приборов и ИМС, предварительно контролируют по основным электрическим параметрам: типу электропроводности, удельному 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 полярности термо-эдс, 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 контакта зависят от типа носителей заряда в полупроводнике, тип электропроводности определяют по отклонению стрелки нуль -
Рис. 9. Схема определения типа электропроводности полупроводниковых материалов методом термозонда:
— полупроводниковая пластина, 2 - термо зонд, 3 — нуль-гальванометр, 4 - металлическая подставка
Рис. 10. Схема определения типа электропроводности полупроводниковых материалов методом точечного контакта:
1 — полупроводниковая пластина, 2 - омический контакт, 3 — регулятор напряжения, 4 — иуль-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 потенциалов, возникающей в двух расположенных на плоской поверхности образца точках при пропускании тока через два расположенных на той же поверхности точечных контакта. Рассчитывают 30
удельное сопротивление по формуле р = 'MU,! (где / — расстояние между зондами).
Рис. 11. Схема четырехзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов:
1 — полупроводниковая пластина (образец), 2 — зонды, 3 - измеритель напряжения, 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 который в прямом направлении пропускают два сдвинутых во времени импульса тока с одинаковыми и постоянными амплитудами (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 модулируют (увеличивают) его электропроводность. По окончании этого импульса число неравновесных носителей заряда в результате рекомбинации уменьшается, поэтому сопротивление начинает возвращаться к исходному значению, увеличиваясь со временем. Напряжение на образце в момент начала второго импульса определяется концентрацией неравновесных носителей заряда, сохранившихся в образце. Разность напряжений первого Ux и второго 1)г импульсов зависит от времени задержки t, т.е. Ux — иг = Ае^/т (где т — время жизни неосновных носителей заряда). Фиксируя напряжение Ux и измеряя время задержки t, по наклону прямых, построив график In(CZi - U^ = ЯО, можно определить время жизни неосновных носителей заряда т.
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 поверхность значительно выше, здесь образуются ямки определенной формы, количество которых подсчитывают с помощью микроскопа. Количество ямок травления на поверхности об- 31
разца подсчитывают в десяти полях зрения микроскопа, определяя их среднюю сумму по формуле^= 'LN^n (где А, — количество ямок в поле зрения микроскопа; и — число полей зрения) . Плотность дислокаций рассчитывают по формуле NR = 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
Какие требования предъявляют к полупроводниковым материалам?
Какими методами получают германий, кремний и соединения типа ДШВУ AIIBVI AIVBVI?
Что такое полупроводниковые эпитаксиальные пленки и как их обозначают?
Какие параметры полупроводниковых материалов контролируют перед их использованием в производстве?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ
И ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Абразивным может быть любой природный или искусственный материал, 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 глубины. По этому принципу построена минералогическая шкала твердости — шкала Мооса, по которой самый твердый материал — 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 обработки одного материала другим или группой других материалов. Абразивная способность определяется количеством снятого за установленное время материала. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность карбида бора будет 0,6, карбида кремния — 0,5, корунда — 0,25. 32
Под механической и химической стойкостью понимают способность абразивного материала выдерживать соответственно механические нагрузки и агрессивную кислотно-щелочную
среду, не разрушаясь.
Рис. 12. Зависимость скорости съема материала (полупроводника) от размеров зерен абразиваРис. 12. Зависимость скорости съема материала (полупроводника) от размеров зерен абразиваАбразивные материалы в зависимости от размера (крупности) зерен подразделяют на четыре группы: шлиф зерно (от № 200 до № 16), шлифпорошки (от № 12 до № 3), микропорошки (от № М63 до № М14) и тонкие микропорошки (от № М10 до № М5). Каждый номер зернистости абразивных материалов характеризуется, в свою очередь, пятью фракциями: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой. Размер зерен абразивных материалов ока-
Рис. 12. Зависимость скорости съема материала (полупроводника) от размеров зерен абразива
Рис. 12. Зависимость скорости съема материала (полупроводника) от размеров зерен абразива
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 Д120з выпускаемый
промышленностью электрокорунд делится на три сорта: электрокорунд белый (от 98,5 до 99,5 % Д12О3), электрокорунд нормальный (от 91 до 96% А12О3) и электрокорунд черный (от 65 до 75 % А12Оз).
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 режущими свойствами. Выпускают карбид кремния двух разновидностей: 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
АЛМАЗНЫЕ ПОРОШКИ И ПАСТЫ
Алмазные порошки и пасты являются основными материалами, используемыми для механической обработки полупроводников. В зависимости от размера зерен, методов получения и контроля алмазные порошки делятся на шлифпорошки, получаемые просеиванием на ситах, и микропорошки, получаемые классификацией с использованием жидкости.
Зерновой состав алмазных порошков характеризуется совокупностью фракций: основной (преобладающей по количеству) , крупной и мелкой.
Алмазные шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются пяти марок: АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС и отличаются прочностью на сжатие. Так, прочность на сжатие шлифпорошков АСО равна (1,54-2,2) • 104 Н/м2, АСР - (2,54-7) • 104 Н/м2, АСВ - (4.34-11) ■ 104 Н/м2, АСК - (94-17) • 104 Н/м2, а АСС - (24-6) ■ 105 Н/м2.
Алмазные микропорошки по сравнению с алмазными шлиф- порошками имеют значительно меньшие размеры зерен. Микропорошки синтетических алмазов выпускаются двух марок: АСМ и АСН, соответственно обладают повышенной и нормальной абразивной способностью и имеют одиннадцать групп зернистости: 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7, 7/5, 5/3, 3/2, 2/1 и 1/0 (числитель и знаменатель соответственно указывают максимальный и минимальный размеры зерен основной фракции). Абразивная способность алмазных микропорошков определяется отношением массы удаленного корунда к массе израсходованного алмазного микропорошка и с уменьшением зернистости снижается. Так, абразивная способность микропорошков АСМ 60/40 и АСМ 5/3 соответственно раьла 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 поверхностно-активных веществ. Для изготовления алмазных паст используют микропорошки синтетических алмазов от АСМ-40/28 до АСМ 1/0. В зависимости от процентного содержания алмазного порошка выпускаются алмазные пасты четырех концентраций: высокой (В), средней (С), низкой (Н) и пониженной (П), которые по консистенции разделяются на твердые (Т), густые (Г), мазеобразные (М) и жидкие (Ж). Например, алмазную пасту из микропорошка АСМ-1/0 высокой концентрации и жидкой консистенции обозначают АСМ-I/O- В-Ж.
ПОЛИРОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС по планарной технологии предъявляют высокие требования к качеству обработки поверхности полупроводниковых пластин. Для получения высокой точности обработки применяют различные полировочные материалы.
Оксид хрома Сг2О3 — порошок зеленого цвета — продукт восстановления двухромовокислого аммония серой, является основным полировочным материалом. Полученный материал размельчают и отмывают водой от ионов SO4, а также водорастворимых солей и берут фракцию с соответствующим размером зерен. Промышленностью выпускаются три марки оксида хрома: ОХМ (металлургический), ОХП (пигментный) и ОХЧ (часовой) с содержанием чистого продукта не менее 98 %.
Полирит — поро: ток коричневого цвета, содержащий 97 % оксидов редкоземельных элементов (в том числе до 45 % оксида 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 финишной 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 пластин полупроводниковых соединений типа A^BV и AnBVI на обычных полировальниках.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ШЛИФОВАЛЬНИКОВ
И ПОЛИРОВАЛЬНИКОВ
Выбор материала шлифовальников и полировальников значительно 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 пластины. Рассмотрим основные материалы, из которых изготовляют шлифовалькики.
Чугун — сплав железа с углеродом — относится к группе черных металлов. Чугуны бывают белые, серые, ковкие и высокопрочные. Отличительной особенностью их является содержа- 3** " 35
ние углерода и форма графитовых включений. Для изготовления шлифовальников применяют чугуны марок ХЧ-1 — ХЧ-4, ЛХЧ-1 — ЛХЧ-6 и ЛД-1 — ЛД-3 с повышенным содержанием кремния.
Сталь — также сплав железа с углеродом, содержащий меньше, чем чугун, углерода. Стали обладают высокими механическими 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 (щелочных и солевых растворах).
Стекло — твердый прозрачный материал, широко используемый для изготовления шлифовальников методом горячего литья в специальные формы. Наиболее пригодны для шлифовальников 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 специальной термической обработки и пропитки укрепляющими составами используется для изготовления шлифовальников.
Стеклопластик — материал, основой которого является стеклоткань, а в качестве пропиточного состава используется эпоксидная смола; обладает высокими нагревостой- костью и механической прочностью.
Текстовинит — хлопчатобумажная ткань с поливинилхлоридным 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 зерен абразива и материала шлифовальника показана на рис. 13.
Полировальники представляют собой стеклянные или металлические диски, рабочие поверхности которых обтянуты такими мягкими и ворсистыми материалами, как ворсит, замша, фланель, батист, фетр, велюр, сукно, войлок, политан, поли- вел и лавсан. Выбор материала зависит от его совместимости с используемым абразивным составом (суспензией). Полировочная ткань должна в процессе полирования удерживать своим 36
Рис. 13. Зависимость производительности шлифовки кремниевых пластин от размеров зерен абразива для шлифовальников из стали (7), меди (2), стекла (5) и латуни (4)Рис. 13. Зависимость производительности шлифовки кремниевых пластин от размеров зерен абразива для шлифовальников из стали (7), меди (2), стекла (5) и латуни (4)
Рис. 13. Зависимость производительности шлифовки кремниевых пластин от размеров зерен абразива для шлифовальников из стали (7), меди (2), стекла (5) и латуни (4)
Рис. 13. Зависимость производительности шлифовки кремниевых пластин от размеров зерен абразива для шлифовальников из стали (7), меди (2), стекла (5) и латуни (4)
ворсом частицы абразивного материала и быть стойкой к истиранию при определенных технологических режимах. Обычно для предварительной полировки полупроводниковых пластин используют безворсовые тканевые материалы, а для окончательной финишной обработки — ворсистые.
Полировальники не должны иметь складок, порезов, утолщений, разорванных нитей, бугров и впадин, посторонних включений и других дефектов. Стойкость мягких полировальников к истира-
нию невелика. Так, батистовые полировальники пригодны дня обработки 20—30 пластин кремния, сатиновые — 50—70, замшевые - 100—120, велюровые — 500—600.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ СЛИТКОВ
И ПЛАСТИН ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Крепление к металлическим частям станков слитков и пластин при резке, шлифовке и полировке является важней и сложной технологической операцией, влияющей на качество процесса обработки и его производительность. Так как полупроводниковые пластины хрупкие, их кренят на подложке не цангами, хомутиками или другими зажимающими приспособлениями, а различными клеящими веществами (рис. 14, а).
Монокристаллические полупроводниковые слитки при резке на пластины крепят к держателю станка (рис. 14, б), используя 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 шлифовальников и полировальников широко используют материалы с невысокой температурой плавления: воск, парафин, канифоль, пицеин, шеллак, церезин и глифталсвый лак. Процесс крепления состоит в нагреве клеящего материала до температуры плавления и охлаждения после прижима пластин к поверхности планшайбы. Отделяют пластины, нагрев планшайбу.
Рис. 14. Способы крепления полупроводниковых материалов при механической обработке: а — пластины на плоской подложке, б - слитка на державке; 1—подложка, 2-пластина (слиток) , 3 - клеящее вещество, 4 - державкаРис. 14. Способы крепления полупроводниковых материалов при механической обработке: а — пластины на плоской подложке, б - слитка на державке; 1—подложка, 2-пластина (слиток) , 3 - клеящее вещество, 4 - державка
Рис. 14. Способы крепления полупроводниковых материалов при механической обработке: а — пластины на плоской подложке, б - слитка на державке; 1—
подложка, 2-
пластина (слиток) , 3 - клеящее вещество, 4 - державка
Рис. 14. Способы крепления полупроводниковых материалов при механической обработке: а — пластины на плоской подложке, б - слитка на державке; 1—
подложка, 2-
пластина (слиток) , 3 - клеящее вещество, 4 - державка
Рассмотрим основные клеящие материалы.
Воск - термопластичный материал желтого цвета, хорошо растворимый в бензине. При нагревании до 60—70 °C он размягчается и при дальнейшем повышении температуры расплавляется и растекается по поверхности планшайбы. Охлаждаясь, воск застывает и образует пленку, прочно скрепляющую полупроводниковые пластины с планшайбой.
Парафин — термопластичный материал белого цвета рыхлой структуры, что обусловливает его большую усадку при застывании (10 %). При охлаждении в парафине могут образовываться воздушные пузыри. Размягчение парафина начинается с 50 °C.
Канифоль — хрупкая прозрачная стеклообразная масса желтого цвета, хорошо растворимая в спирте, скипидаре и углеводородах. Температура размягчения 70 °C.
Пицеин — термопластичное вещество, размягчающееся при 70—90 °C 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 °C. Пицеин обеспечивает высокую механическую прочность крепления пластин.
Церезин — термопластичное вещество желтого цвета. Температура размягчения 90—100 °C.
Глифталевый лак — синтетическая алкидная смола (модифицированная канифоль) . Температура размягчения около 110 °C. 38
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОТМЫВКИ ПЛАСТИН
После гцеханической обработки полупроводниковые пластины отмывают от различных загрязнений: частиц абразива, клеящих веществ, жиров (восков, смол) и остатков солей. Загрязнения на поверхности полупроводниковых пластин резко снижают качество последующих операций. Отмывка пластин состоит 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, этиловый, пропиловый, бутиловый), эфиры, амины, кетоны (ацетон, метилэтилкетон, циклогексанон) и хлорорганические соединения (четыреххлористый углерод).
При работе с растворителями необходимо помнить, что, за исключением 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 вытяжной вентиляции.
Бензин — легко воспламеняемая жидкость, получаемая прямой перегонкой нефти. Плотность 0,73 г/см3.
Лигроин СбН14 — С8Н18 — бесцветная легко воспламеняющаяся жидкость (промежуточная фракция между бензином и керосином).
Бензол С6Н6 — бесцветная, легко воспламеняющаяся жидкость. Плотность 0,87 г/см3.
Толуол С7Щ — бесцветная прозрачная, легковоспламеняющаяся жидкость. Плотность 0,86 г/см3 .
Этиловый спирт С2Н5ОН — прозрачная жидкость, имеющая плотность 0,78 г/см3.
Метиловый спирт СН3ОН — прозрачная жидкость, получаемая из древесины и имеющая плотность 0,79 г/см3. Сильный яд.
Ацетон СН3СОСН3 — прозрачная бесцветная, легко воспламеняющаяся жидкость. Плотность 0,79 г/см3 .
Четыреххлористый углерод ССЦ - 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 % кислорода. Температура замерзания воды 0°С, а кипения 100 °C.
39
Наибольшую плотность, равную 1 г/см3, вода имеет при 4 °C 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 отмывки и деионизованную (ионнообменную) — для финишной.
Дистиллированная вода, получаемая многократной 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, AIM7, АВ-20, АВ-17-8-4с) смолы. Деионизованная вода бывает марок А и Б и соответственно используется для промывки пластин с р-и-переходами и других элементов. Вода марки А имеет удельное сопротивление 20 МОм • см, а марки Б — около 1 МОм • см.
ХИМИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ СМЕСИ ДЛЯ ТРАВЛЕНИЯ
Обработку пластин травлением в жидких смесях применяют для удаления загрязнений, оставшихся после отмывки в растворителях (пленки оксидов и механически нарушенного слоя, возникающего при резке, шлифовке и полировке), доведения толщины исходных пластин до заданных размеров, выявления границы р-п-переходов и структурных дефектов, получения заданного рельефа на поверхности (лунок, мезаструктур, рисунка) , 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 водорода, способных замещаться атомами металлов с образованием солей. Кислоты бывают кислородные (H2SO4, Н2СО3, HNO3 40
и др), и бескислородные (НС1, H2S, HF и др.). Число атомов водорода в молекуле кислоты определяет ее основность. Так, кислоты НС1, HF, HNO3 — одноосновные, H2SO4, Н2СО3 — двухосновные, а Н3РО4 — трехосновная. Многие кислоты хорошо растворимы в воде. По степени диссоциации в водных растворах различают сильные (HNO3, НС1, H2SO4), средние (Н3РО4, HF) и слабые (СН3СООН) кислоты. Для обнаружения кислот используют 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 иа кожу вызывают сильные ожоги, поэтому работать с ними необходимо в резиновых перчатках, халате и фартуке.
Щелочи — это растворимые в воде основания. Хорошо растворимыми 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 окраску индикаторов: лакмуса — в синий цвет, а фенолфталеина — в малиновый.\
Соли — это химические соединения, молекулы которых состоят из атомов кислотного остатка и связанных с ними атомов металла. Обычно соли являются продуктами замещения атомов водорода атомами металла в кислотах.
Травители для германия приготовляют в зависимости от требований 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 Н2О2 с водой различных концентраций (обычно от 5 до 30 % Н2О2). Травление проводят при температуре 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).
Кислотцые травители, наиболее широко применяемые для травления германия, состоят из определенного количества азотной, плавиковой (фтористоводородной) и уксусной кислот, а также различных добавок. Так, для обработки поверхности пластин германия, имеющих кристаллографическую 41
ориентацию (100), применяют травильную смесь из 10 мл азотной, 5 мл плавиковой и 10 мл уксусной кислот. Для получения 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 AgNOj. Зеркальную поверхность германия получают также, используя травильную смесь, содержащую азотную и плавиковую кислоты, смешанные с 10 %-ным раствором Си(МОз)2.
Травители 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 анизотропного (избирательного) травления.
Кислотные травители (смесь азотной и плавиковой кислот) обладают полирующим действием и создают зеркальную поверхность. Максимальную скорость травления получают при соотношениях HNO3 : HF = 2:9. Для замедления скорости травления кремния в такую травильную смесь вводят уксусную 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 бутанола и 0,5 г кремния, обладает высокой, низкой и промежуточной скоростями травления соответственно в направлениях кристаллографических плоскостей (100), (111) и (110). Добавка кремния в этот травитель позволяет контролировать процесс. Финишную обработку пластин кремния непосредственно перед процессом окисления или эпитаксиального наращивания проводят, используя следующие смеси: Н2О2 : H2SO4 : Н2О = 1 :1: 3; Н2О2 : : NH3 :Н2О=1:1:2; Н2О2 :NH4OH:H2O = 1:1:3.
Травители для материалов типа А®В^ 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 кислот, взятых в соотношении 9:5. Обработку арсенида индия проводят 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 СгО3, а для обработки ZnS можно применять кипящий раствор концентрированной азотной кислоты.
Травители для запдатных SiO2 и Si3N4 и тонких металлических пленок имеют различные составы. Так, пленки SiO2 хорошо травятся в плавиковой кислоте, однако ее не применяют из-за малого содержания ионов фтора, а используют буферные травители, состоящие из HF, NH4 F и Н2 О, взятых в соотноше- шги 2:9:2. Пленки Si3N4 хорошо травятся в кипящей фосфорной кислоте, концентрированной плавиковой кислоте и буферном тоавителе.
Пленки меди травят в смеси серной, азотной кислот и хлорного 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 NaCI, NaNO3, Na3PO4, Na2CO3. Для кислотного травления пленок алюминия используют составы на основе серной, ортофосфорной и плавиковой кислот, например травитель, содержащий 65 г СгО3,350 г Н2 SO4 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 азотной и серной кислотах. В качестве сильного травителя применяют 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: CrO3:H2SO4: : Н2О=2: 1 : 100.
Пленки золота травят в царской водке — смеси азотной и соляной кислот, взятых в соотношении 1 : 3.
Пленки хрома травят в смеси H2SO4 : Н2О = 1 :1, а молибдена - в смеси Н2 SO4 : HNO3 : Н2 О = 1 : 2 : 300.
Пленки вольфрама при комнатной температуре в соляной, азотной, серной и плавиковой кислотах не травятся. Интенсивное их травление происходит в смеси азотной и плавиковой кислот, взятых в соотношении 1:1.
Пленки никеля травят в 50 %-ной азотной кислоте, а также в следующей смеси HNO3 : Н2 SO4 : NaCI = 2:2:1.
Пленки тантала устойчивы к действию азотной кислоты, хромовой смеси, фосфорной и соляной кислот. Однако плавиковая 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.
Пленки олова хорошо травятся в водных растворах хлорного железа.
Тонкие .пленки, применяемые в микроэлектронике, из-за возможности уменьшения геометрических размеров структурных элементов ИМС травят, как правило, в слабых растворах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие материалы называют абразивными и как их классифицируют?
Какими свойствами обладают алмазные микропорошки и пасты?
Из каких материалов изготовляют шлифовальники и полировальники?
Какие материалы применяют для крепления слитков и пластин при их механической обработке?
Какие химические травители используют для обработки полупроводников?
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТО-, РЕНТГЕНО-
ИЭЛЕКТРОНОЛИТОГРАФИИ
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 защитного слоя в виде рельефа рисунка. Рельеф рисунка получается в результате светового воздействия через фотошаблон оригинала на отдельные участки слоя фоторезиста и неодинаковой растворимости освещенных и неосвещенных участков. После проявления облученного слоя фоторезиста часть его (рисунок) остается 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,
удаление защитных диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4, а также вытравливание рельефа в металлических пленках.
Фоторезисты являются сложными веществами. Так как защитные свойства фоторезистов на основе мономеров невысоки, 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 изготовляют фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие свет в ультрафиолетовой (УФ) области спектра (270— 450 нм). Собственная светочувствительность полимера может быть изменена в широких пределах введением в него специальных добавок. В зависимости от происходящих в фоторезистах 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 — поливинил циннаматы. При поглощении света в негативных фоторезистах двойная связь углерод — углерод циннамоильной группы разрывается, а возникающие при этом свободные связи приводят к образованию мостиков, сшивающих отдельные молекулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру. Наряду с поливинилциннаматами используют также циклокаучук с различными добавками. Циклокаучук не является светочувствительным материалом, поэтому для повышения чувствительности к свету в него вводят различные органические азиды (алкилазиды, алкеназиды, арилазиды, бисазиды и др.). Под действием света азиды разлагаются с потерей молекулы азота, образуя новые вещества — нитрены, которые вступают в реакцию с макромолекулами каучука, в результате чего образуется стойкая 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 инденкарбоновая кислота. Гидрофобные производные нафтохинондиазида после фотохимических превращений станоятся гидрофильными, т.е. приобретают способность растворяться в слабых растворах щелочей. Таким образом, при проявлении проэкспониро- ванной пленки фоторезиста карбоксильная группа, получающаяся при разложении кислоты, реагирует с проявителем с образованием легко растворимых в воде солей. Это приводит к
тому, что проэкспонированные участки пленки фоторезиста вымываются в проявителе, а непроэкспонированные остаются на пластине.
Основные свойства фоторезистов — светочувствительность, разрешающая способность и кислотоустойчивость.
Светочувствительность фоторезистов является функцией процессов экспонирования и проявления. Основным параметром процесса экспонирования является спектральная чувствительность фоторезиста, которая зависит от обратной поглощенной световой энергии, необходимой для определенного изменения свойств светочувствительного материала. Таким образом, светочувствительность фоторезиста связана с полнотой засветки его слоя. Однако конечная цель фотолитографического процесса — не только полнота засветки фоторезиста, но и получение рельефа рисунка высокого качества. Прямое влияние на светочувствительность фоторезиста оказывает процесс его проявления, так как при этом происходит химическое взаимодействие проявителя 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 позитивных фоторезистов являются полнота разрушения и удаления с поверхности пластин после экспонирования и проявления локальных участков (рельефа рисунка) пленки фоторезиста. Таким образом, светочувствительностью определяется четкость изображения рельефа рисунка в слое фоторезиста после процессов экспонирования и проявления, т.е. рельеф создаваемого 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. Разрешающая способность фоторезистов зависит от оптических явлений, происходящих в системе фотошаблон — фоторезист - пластина в процессе экспонирования, а также от режимов проявления 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 точность и стабильность геометрических размеров микроэлементов рельефа рисунка в слое фоторезиста. Так, перепроявление увеличивает 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 фоторезистов получают оптимизацией этих процессов. Разрешающая способность фоторезистов определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на 1 мм поверхности пластины.
Кислотостойкостью фоторезистов определяется возможность 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
Вязкость, МПа • с
Разрешающая спо- ность, лин/мм
Стойкость в проявителе, 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 ЗЛЕКТРОНОРЕЗИСТЫ
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 требуются специальные материалы, наиболее подходящим из которых 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 использован 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 размер 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 резистов к потоку электронов неодинакова. Наибольшей чувствительностью 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 резисты ЭРП и ЭЛП на основе полиме.тилметакрилата (ЭРП-1 и ЭЛП-9) с метакриловой кислотой и негативные резцсты ЭЛН (ЭЛН-24), состоящие из циклокаучука ГИПИ-4 с добавками фе- нилмалеимида.
СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭМУЛЬСИИ
При производстве фотошаблонов (оригиналов) применяют светочувствительные эмульсии на основе сухого коллодиона, а для создания рисунка на печатных платах — светочувствительные лаки.
Эмульсии на основе сухого коллодиона приготовляют из раствора коллодия, который очувствляют — сенсибилизируют. Коллодий представляет собой раствор коллоксилина в смеси спирта и медицинского эфира в соотношении 1 :1.
Коллоксилин — азотнокислый эфир целлюлозы, получаемый воздействием на клетчатку концентрированной азотной кислоты (нитрирование).
Процесс очувствления эмульсии на основе сухого коллодио- на заключается в добавлении в раствор йодистой или бромистой соли Cdl, CdBr или NH;Br. На поверхность пластин наносят 1,5 %-ный раствор коллоксилина, а затем его сенсибилизируют, погружая пластины в 10 %-ный раствор нитрата серебра AgNOa- На поверхности слоя коллоксилина и на небольшой глубине в его объеме образуется бромид (или йодид) серебра. Окончательное очувствление проводят, обрабатывая пластины в 0,3 %-ном растворе азотнокислого серебра. Полученный на подложке слой подкисляют в растворе азотной кислоты, задубливают в растворе танина и высушивают.
В полупроводниковой технологии используют эмульсии на основе сухого коллодиона следующего состава: 1,5 г коллоксилина, 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 вещества, обладающие хорошей адгезией к различным подложкам. Одним из таких материалов является светочувствительный лак Ф-8 на основе раствора эпоксидированного каучука с катализатором, сенсибилизатором и наполнителем в толуоле. Разрешающая способность этого материала невелика и равна 25 лин/мм при толщине 15—20 мкм, фотостабильность при 20 °C равна 360 ч, стойкость при 20 °C 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 метакриловой кислоты с винильными мономерами полиэфиракри- лата, ингибитора и красителя. По внешнему виду — это однородная 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.
ПРОЯВИТЕЛИ ДЛЯ ФОТО- И ЭЛЕКТРОНОРЕЗИСТОВ, ЭМУЛЬСИЙ
Процессы проявления негативных и позитивных фоторезистов неодинаковы, так как существенно отличаются химические 49
реакции, протекающие в них при воздействии соответствующих проявителей.
Проявление негативных фоторезистов — типичный физико-химический процесс растворения полимерных материалов. Поэтому в качестве проявителей в этом случае используют органические растворители (толуол, хлорбензол, трихлорэтилен и др.), при воздействии которых набухают облученные и растворяются 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 проявления позитивных фоторезистов является их чувствительность к перепроявлению, т.е.к чрезмерному пребыванию в проявителе. Это объясняется тем, что при длительном пребывания в проявителе необлученные участки пленки фоторезиста начинают химически взаимодействовать с ним и постепенно растворяться.
Для проявления негативных фоторезистов наиболее широко используют смеси толуола с уайт-спиритом в соотношении 1:1 и толуола с уайт-спиритом и диоксаном в соотношении 1:1:1. Время проявления несколько минут.
Для проявления позитивных фоторезистов часто используют следующие смеси: 2 г тринатрийфосфата, 25 мл воды и 75 мл глицерина; 50 мл 5 %-ного тринатрийфосфата и 2 мл 8 %-ного КОН; 8 г тринатрийфосфата, 300 мл глицерина и 100 мл воды; 0,1 едкого натра и 100 мл воды; 0,5 г едкого кали и 100 мл воды. Время проявления не превышает нескольких секунд.
Для проявления негативных злектроно- резистов используют смеси таких растворителей, как циклогексанон, хлорбензол, бутилацетат, изопропиловый спирт, ксилол, диметилформамид и др.
Для проявления позитивных электроно- резистов ЭРП-1 и ЭЛП-9 используют смесь метилэтилкетона 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 гидрохинон, метол, лимонная кислота, углекислый и бромистый калий. В качестве примера можно привести проявитель, который приготовляют следующим образом. Сначала готовят два раствора: первый из 7,5 г гидрохинона, 4,5 г лимонной кислоты 50
и 500 мл воды и второй — 1 %-ный раствор азотнокислого серебра. 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 °C.
РАСТВОРИТЕЛИ ДЛЯ ФОТО-
И ЗЛЕКТРОНОРЕЗИСТОВ
Растворители входят в состав фото- и электронорезистов и играют важную роль в процессе создания рельефа рисунка, оказывая существенное влияние на вязкость исходного материала. При нанесении фоторезистов на поверхность пластин происходит испарение растворителя. Кроме того, от выбора растворителя или их смеси зависит качество смачивания пластин, образование пленки и ее структура. Повышенным поверхностным натяжением характеризуются диметилформамид и монометиловый эфир ацетатгликоля. Скорость испарения, или степень летучести, является важной характеристикой растворителей для фото- и электронорезистов. Так как растворители используют для окончательного удаления слоя фото- или электронорезиста с поверхности 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 поверхности пластин. Так, при изготовлении фоторезистов ФН-11 и ФН- 103 в качестве растворителя используют смесь ксилола с толуолом в соотношении 2:1, фоторезистов ФП-330 и ФП-383 — смесь диоксана с диметилформамидом, а фоторезиста ФП-626 — смесь диметилового эфира с диэтиленгликолем и диметилформамидом. При изготовлении электронорезиста ЭРП в качестве растворителя используют 2-метаксиэтиловый эфир уксусной кислоты, 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 воздействия. Наиболее хорошо негативные фоторезисты удаляются
51
в хлорированных углеводородах, в которых они при 100— 130 °C 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 рекомендуется ультразвуковое воздействие на промывочную ванну.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТОШАБЛОНОВ
Фотошаблон - это плоскопараллельная пластина из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из прозрачных и непрозрачных дли света определенной длицы волны участков, многократно повторенных в пределах рабочего поля и образующих топологию прибора или группы приборов. Фотошаблон является основным инструментом, с помощью которого формируют микроизображение сколь угодно сложных рисунков в слое фоторезиста, нанесенном на поверхность исходной пластины.
Основу фотошаблона обычно изготовляют из стекла, а рисунок на его поверхности получают фотолитографией. В зависимости от материала, из которого создан рисунок на стеклянной пластине, различают эмульсионные, металлизированные и цветные (транспарентные) фотошаблоны (рис. 15,а—в).
а)а)12 3 2 3 212 3 2 3 26)6)
а)
а)
12 3 2 3 2
12 3 2 3 2
6)
6)
Рис. 15. Фотошаблоны:
а - эмульсионный, б - металлизированный, в — цветной (транспарентный) ; 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 инородных включений и пузырей, обладающее достаточной механической прочностью и широким спектром пропускания как видимого, так и ближнего ультрафиолетового света. Показатель преломления этого стекла 1,5, а средняя дисперсия 0,008. После варки для придания стеклу определенных геометрических размеров его формуют. К стеклянным пластинам фотошаблонов, которые имеют квадратную форму (70X70X3, 76X76X3, 102X102X3 и 127X127X3 мм), предъявляют повышенные требования 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 оптических плотностей стеклянной подложки и эмульсионного слоя, не содержащего серебра.
В металлизированных фотошаблонах участки рисунка создают в тонком слое хрома. Минимальная оптическая плотность прозрачных участков таких фотошаблонов равна оптической плотности стекла, а максимальная соответствует 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 выполняется в виде пленки оксида железа. Минимальная оптическая плотность прозрачных участков таких фотошаблонов, как и у металлизированных, равна оптической плотности стекла, а максимальная соответствует практически непрозрачным для ультрафиолетового света пленкам оксида железа. Получают тонкие (0,2—0,25 мкм) пленки оксида железа вакуумно-термическим испарением оксида железа или термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)s в атмосфере кислорода.
Процесс изготовления металлизированных и цветных фотошаблонов включает операции фотолитографии с использованием различных фоторезистов и вытравливания в пленках хрома или оксида железа микрорельефов рисунков соответственно в водных растворах соляной и фосфорной кислот. Удаляют фоторезист на установках фреоновой очистки или ионно-плазменным методом.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие виды фоторезистов вы знаете и какими свойствами они должны обладать?
Что такое рснтгенорезисты и электронорезисты?
Какие материалы используют для приготовления фоторезистов?
Какие материалы используют для приготовления проявителей?
Из каких материалов изготовляют эмульсионные, металлизированные и цветные фотошаблоны?
ГЛАВА ПЯТАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНЫХ ВЫВОДОВ
АКЦЕПТОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Полупроводниковые материалы после очистки от посторонних примесей в зависимости от необходимости получения требуемых электрофизических параметров (дырочного или электронного типа электропроводности) легируют акцепторными или донорными элементами (примесями).
Акцепторными элементами для германия и кремния являются алюминий, галлий, бор и индий.
Алюминий А1 — металл серебристо-белого цвета, обладающий хорошими механической прочностью и ковкостью, большой коррозионной стойкостью и высокими электро- и теплопроводностью. Атомная масса 26,98. Плотность при 20 °C равна 2,7 г/см3, температура плавления 660 °C. Давление паров при 1200 °C равно 0,13 Па. Основной рудой алюминия являются бокситы.
На воздухе алюминий легко окисляется и на его поверхности образуется тонкая, но прочная пленка оксида, которая предохраняет 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 водород и образуются легкорастворимые в воде алюминаты. Расплавленный алюминии очень активно и легко реагирует с металлами. При температуре выше 1000 °C алюминий сплавляется даже с графитом и кварцем, а выше 577 °C — с кремнием. Сплавы алюминия с кремнием называют силуминами. Алюминий высокой чистоты широко используется в качестве электродного материала 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 пластической деформации проявляется у галлия слабо. В большей степени он склонен к переохлаждению и кристаллизуется с 54
увеличением объема. Галлий не образует собственных минералов — это типичный рассеянный элемент. Обычно он содержится в алюминиевых и цинковых рудах. Атомная масса 69, 72. Плотность при 20 °C равна 5,9 г/см3. Температура плавления 30 °C. Давление паров при 572 °C 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 медленно с выделением водорода. В соединениях галлий бывает одно-, двух- и трехвалентным; наиболее устойчивы трехвалентные соединения галлия. В полупроводниковой технологии галлий используется как акцепторная примесь при легировании германия и кремния, а также для образования соединений типа АШВ^.
Бор В бывает двух разновидностей: аморфный в виде порошка бурого цвета и кристаллический в виде кристаллов белого цвета. Главные природные соединения бора — борная кислота Н3ВО3 и различные борсодержащие соли, из которых наиболее применимы бура Na2B4O7- Н2О, ашарит 2 Mg • В20з • Н2О и колеманит 2 СаО • 2 В20з . 5 Н2О. Бор в виде борного ангидрида В20з извлекают из минералов, а затем восстанавливают натрием или магнием. Атомная масса 10,81. Плотность аморфного бора 1,73 г/см3, а кристаллического — 2,34 г/см3. Температура плавления 2000—2500 °C. Давление паров при 1400 °C равно 1,3 • 10”6 Па.
При комнатной температуре бор инертен: не вступает в реакцию с водой, не окисляется на воздухе и не соединяется с другими элементами. В концентрированных щелочах бор растворяется, выделяя водород. При высокой температуре химическая активность бора резко увеличивается и он легко соединяется с галогенами и углеродом, образуя соответственно соли галогеноводородных кислот и карбид бора. Бор обладает высокой предельной растворимостью в германии и кремнии. Так, его предельная растворимость в кремнии может достигать 1020 см""3, что намного больше, чем у других акцепторных элементов.
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 самородном состоянии встречается редко. В природе наиболее распространен сурмяный блеск 8Ь28з — минерал, из которого добывают сурьму. Атомная масса 121,75. Плотность 6,6 г/см3. Температу- 55
ра плавления равна 630 °C. Давление паров при 380 °C равно 1,3 • 10"3 Па.
При комнатной температуре сурьма не окисляется, а при нагревании сгорает с образованием Sb2 Оз. В разбавленных соляной и серной кислотах не растворяется, в концентрированной соляной 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 8Ь20з.
Сурьму применяют для легирования германия и кремния, а также получения соединений типа АШВУ. Предельная растворимость сурьмы в германии 1019 см"3, а в кремнии 5 • 1019 см"3.
Фосфор Р — элемент, имеющий в свободном состоянии несколько аллотропических форм, из которых применяют две: белый фосфор (кристаллы) и красный (порошок). При быстром 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 различных минералах. Атомная масса 30,97. Плотность белого фосфора 1,8 г/см3, а красного 2,3 г/см3. Температура плавления белого фосфора 44 °C. Красный фосфор, не плавясь, переходит в пар. Давление паров белого фосфора при 500 °C 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 Р2 О5, представляющий собой белый аморфный порошок без запаха, энергично поглощающий влагу. Поэтому его часто применяют в качестве осушителя. При взаимодействии Р2О5 с водой образуются следующие кислоты: метафосфорная НРО3, пирофосфорная Н4Р2О7 и ортофосфорная Н3РО4.
В полупроводниковом производстве используют элементарный красный фосфор, а также его соединения — фосфорный ангидрид и ортофосфорную кислоту. Красный фосфор возгоняется без плавления при температуре около 420 °C. Фосфор имеет высокую предельную растворимость в германии (2 • Ю2° см'3) и кремнии (2 • Ю21 см"3). Высокая летучесть не позволяет вводить фосфор непосредственно в расплав полупроводника, поэтому используют сплавы или лигатуры. Фосфор является основным легирующим донорным элементом для германия и кремния и применяется также для получения соединений типа AnlBv. 56
Мышьяк As — хрупкое кристаллическое вещество серостального цвета, имеющее на изломе металлический блеск, быстро тускнеющий на воздухе. Атомная масса 74,92. Плотность ~5,7 г/см3. Температура плавления в запаянной ампуле приблизительно 820 °C. Давление паров при 300 °C равно 1,3 Па. При нагревании выше 600 °C при атмосферном давлении мышьяк возгоняется, не плавясь.
Мышьяк — элемент с Преобладанием неметаллических свойств — характеризуется средней химической активностью. При нагревании на воздухе образует As2O3. Элементарный мышьяк не ядовит. Однако многие соединения, особенно трехвалентного мышьяка, являются сильнейшими ядами и обращаться с ними надо, соблюдая правила техники безопасности. Как легирующий донорный элемент мышьяк обладает высокой предельной растворимостью в германии (2 • 1020 см-3) и кремнии (1,8 • 1021 см-3). Применяют его также для получения соединений типа AnIBv.
ДИФФУЗАНТЫ
В производстве изделий микроэлектроники для создания областей с различными электрофизическими свойствами проводят диффузию примесных элементов в исходную полупроводниковую пластину. Используемые для проведения диффузионных Процессов материалы называют диффузантами. В зависимости от исходного состояния диффузанты могут быть твердыми, жидкими, газообразными и стеклообразными. К диффузантам предъявляют высокие требования по чистоте. Основными параметрами диффузантов являются коэффициент диффузии D (см2/с), энергия активации Е (эВ), а также предельная растворимость N (см-3), которая при диффузионном процессе из постоянного источника соответствует поверхностной концентрации введенной примеси.
Коэффициент диффузии — это скорость, с которой диффундирующая Примесь способна проникать в глубь полупроводникового 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 концентрация, — это количество диффундирующей примеси, которое может раствориться в поверхностном слое полупроводника при определенных условиях диффузионного процесса (рис. 17).
Твердыми диффузантами являются чистые металлы, их оксиды, нитриды, ангидриды, соли, сплавы и стекло- 57
Рис. 16. Зависимости коэффициентов диффузии примесей в германии (а), кремнии (6) и арсениде галлия (в) от температурыРис. 16. Зависимости коэффициентов диффузии примесей в германии (а), кремнии (6) и арсениде галлия (в) от температурыобразные композиции. В зависимости от способа проведения диффузии и исходного полупроводникового материала выбирают тип твердого диффузанта. Так, для проведения диффузии бора используют борный ангидрид В20з, нитрид бора BN и борсодержащие соли, например Na2B4O7- Н20. При диффузии алюминия применяют чистый алюминий в виде осажденного тонкого слоя, а также его соли А12(8О4)з 1Н20 и А1(МОз)з ' Н20. Основным твердым диффузантом при проведении диффузии галлия является Ga2O3. Для проведения .диффузии индия используют элементарный индий и его оксид 1п2О3. При диффузии фосфора используют в основном фосфорный ангидрид Р2О5, нитрид фосфора Р3 N5 и реже — соли, например (NH4)2 HPO4. Диффузию мышьяка ведут, как правило, в запаянных ампулах с использованием элементарного мышьяка или Аз20з- При диффузии сурьмы используют сурьмянистый ангидрид или
Рис. 16. Зависимости коэффициентов диффузии примесей в германии (а), кремнии (6) и арсениде галлия (в) от температуры
Рис. 16. Зависимости коэффициентов диффузии примесей в германии (а), кремнии (6) и арсениде галлия (в) от температуры
элементарную сурьму.
Жидкие диффузан- т ы, преимущество которых состоиъ в том, что их можно использовать при всех методах проведения диффузии,
представляют собой растворы и суспензии, в которых присутствуют атомы диффундирующих элементов. Так, для диффузии бора используют 2 -3 %-ный спиртовой или водный раствор борной кислоты Н3ВО3. Широко применяют также жидкие диффу- занты в виде галогенидов бора, фосфора, галлия, сурьмы и мышьяка, большинство из которых хорошо растворимо в воде. 58
т;с
Рис, 17. Зависимости предельной растворимости некоторых примесей в германии (а) и кремнии (б) от температуры
Основными жидкими диффузантами являются треххлористый фосфор PClg, хлороксид фосфора POCI3, трехбромистые бор ВВг3 и галлий СаВгз, треххлористые бор ВС13, мышьяк AsCl3 и галлий СаС1з.
Газообразными диффузантами являются смеси различных газов, содержащие диффундирующую примесь. Как правило, диффузант состоит из газа-носителя (аргон, азот 59
и водород) и газа-источника примеси (диборан В2Н6, фосфин РН3, арсин AsH3 и стибин SbH3).
Газообразные диффузанты являются вредными веществами. Предельно допустимая концентрация в рабочих помещениях днборана 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 неактивными — 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 — борные стекла следующего состава; 30 % В2О3, 10% А12О3, 50% SiO2 и 10 % ВаО; 13 % В2О3, 2 % А12О3,80 % SiO2 и 5 % Na2O. Донорный диффузант — фосфорно-силикатное стекло, состоящее из 34,9% PjOs, 25% А12О3, 14,7% SiO2 и 25,4% Na2O. Кроме того, стеклообразные диффузанты образуются при нанесении на поверхность кремния, покрытую слоем SiO2, борного или фосфорного ангидридов. При нагревании до высоких температур (температур диффузии) в первом случае образуется боросиликатное, а во втором — фосфорносиликатное стекло.
ЭЛЕКТРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Для создания сплавных р-п-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 германии и кремнии. Однако чистые металлы не обеспечивают высокие 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-и-пере- хода. В основу электродного сплава входят олово, свинец и индий. При выборе основы электродного сплава руководствуются температурным диапазоном вплавления. Так, при температуре от 300 до 450 °C в качестве основы берут олово, от 450 до 600 °C — индий и от 600 до 75 0 °C — 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 коллекторных р-и-переходов на германии n-типа используют следующие сплавы: In — Zn (1 %), In — Au (3 %), Pb — In (20 %). При создании эмиттерных р-н-переходов индий в качестве легирующей 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 %); Pb - 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 тапа AU1BV изготовляют на основе золота или сплава олово — свинец, в который в зависимости от необходимого типа электропроводности полупроводникового соединения добавляют в одном случае теллур или селен, а в другом — цинк или кадмий.
Для изготовления омических контактов к соединениям A,nBv электропроводности n-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 изготовления омических контактов к активным элементам ИМС. Невыпрямляющие (омические) контакты характеризуются низким 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 алюминиевого контакта на кремнии n-типа на два порядка выше, чем на кремнии p-типа. Поэтому иногда для получения омического контакта на кремнии n-типа используют сложные многослойные пленочные композиции из чередующихся слоев металлов: хром — золото, титан — никель — золото, титан — платина — золото, титан — палладий — золото, никель — золото.
Для изготовления контактных площадок на кристаллах ИМС используют однослойные пленки алюминия или двухслойные из хрома и золота, причем хром является нижним слоем, а золото — верхним. Слой хрома улучшает адгезию к полупроводниковому материалу слоя золота, который необходим для 61
создания термокомпрессионного соединения с внешним выводом.
Важнейшее применение металлов и сплавов — создание металлических токопроводящих шин между элекродами активных и пассивных элементов ИМС. Соединительные шины принято называть межэлементными соединениями, или межсоединениями. Занимаемая ими площадь сравнима с площадью активных и пассивных элементов. Металл или сплав, который используют для межсоединений, должен обладать хорошим сцеплением с поверхностью 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 сопротивления монолитного (непленочного) алюминия. Кроме межэлементных имеются межэлектродные соединения между контактными площадками, расположенными на поверхности полупроводниковых 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 рассеянных элементов. Добывается из свинцовых, цинковых, оловянных и медных руд. Атомная масса 114, 82. Плотность 7,3 г/см3. Температура плавления 155 °C. Давление паров при 500 °C равно 1,3 • 10"5 Па. На воздухе индий не окисляется, а при нагревании сгорает, образуя 1п2Оз. Вода и растворы щелочей на индий не действуют, в холодных кислотах он растворяется медленно, а в горячих — быстро. Промышленностью выпускается несколько марок индия: ИнОООу (99,9995 %), ИнООО (99,9992), ИнОО (99,9990), ИнО (99,998), Ин1 (99,995) и Ин2 (99,96%).
Олово Sn — серебристо-белый металл, встречающийся в самородном состоянии, а также в рудах. Атомная масса 118,69. Плотность 7,5 г/см3. Температура плавления 230 °C. Давление паров при 1000 °C 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 °C.
Свинец РЬ — синевато-серый пластичный металл, добываемый из минерала свинцового блеска. Атомная масса 207,2. Плот- 62
ность 11 г/см3. Температура плавления 330 ° С. Давление паров при 1100 °C 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 кислот свинец устойчив, в горячих концентрированных этих кислотах быстро растворяется, а в смеси азотной и плавиковой кислот покрывается оксидной пленкой. Медленно растворяется в растворах щелочей. С металлами образует многочисленные сплавы.
Золото Au — драгоценный металл желтого цвета, тягучий и ковкий. В природе встречается в самородном состоянии. Атомная масса 196,96. Плотность 19 г/см3. Температура плавления 1063 °C. Давление паров при 1100 °C равно 1,3 • 10" 2 Па. Золото обладает большой химической стойкостью: на воздухе устойчиво, с кислородом, водородом, азотом и углеродом не соединяется даже при высоких температурах. Растворяется только в царской водке — смеси соляной и азотной кислот, взятых в соотношении 1:3. Золото хорошо сплавляется с германием, кремнием и соединениями типа AinBv.
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 °C равно 1,3 • 10"3 Па. По сравнению с другими металлами серебро обладает наивысшими тепло- и электропроводностью. Химическая активность серебра невелика: в обычных условиях оно не окисляется, а при повышенных температурах темнеет из-за образования оксида серебра. Не взаимодействует с азотом, углеродом и щелочами, легко растворяется в азотной и горячей концентрированной серной кислотах. 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 °C. Давление паров при 1000 °C равно 9 • 10"6 Па. При комнатной температуре никель химически мало активен, а при повышенной (более 400 °C) 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 Ст — твердый металл серо-стального цвета, добываемый из минерала хромистого железняка. Атомная масса 51,99. Плотность 7,1 г/см3. Температура плавления 1903 °C. На воздухе хром ие окисляется и ие реагирует с азотной кислотой.
63
Ортофосфорная кислота растворяет его только при 120 °C. 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. Температура плавления 419 °C. 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 минерала рутила. Атомная масса 57,90. Плотность 4,5 г/см3. Температура плавления 1665 °C. Титан исключительно химически стоек.
Палладий Pd - серовато-белый мягкий и ковкий металл, добываемый из медно-никелевых руд. Атомная масса 106,4. Плотность 11,9 г/см3. Температура плавления 1552 °C.
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 °C. 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 °C.
Молибден Мо — тугоплавкий металл. Атомная масса 95,94. Плотность 9,2 г/см. Температура плавления 2630 °C.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие требования предъявляют к донорным и акцепторным элементам, применяемым для легирования полупроводников?
Какие диффузанты вы знаете?
Что такое электродный сплав и какие электродные сплавы применяют для германия и кремния?
Чем отличаются электродные сплавы для создания омических контактов от электродных сплавов для создания р-и-переходов?
ГЛАВА ШЕСТАЯ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ Р-МПЕРЕХОДОВ
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Состояние поверхности полупроводникового материала, на которую имеет выход р-и-переход (степень ее совершенства, качество обработки, защита от внешней среды), оказывает более сильное влияние на электрические параметры изделий микроэлектроники, чем физические свойства объема полупроводника, в котором расположен р-и-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 дополнительной защиты противостоять им. При длительной работе прибора происходит изменение состояния поверхности полупроводникового материала, обусловленное характером окружающей среды и ее воздействием. Поэтому от качества защиты поверхности полупроводникового кристалла с р-п-переходом зависят не только электрические параметры готовых изделий, но и их надежность, а также срок службы.
Материалами, используемыми для защиты р-п-переходов, являются лаки, эмали, компаунды, оксидные и нитридные пленки кремния, а также стекла, которые должны обладать следующими свойствами:
иметь хорошую адгезию к поверхности полупроводниковой пластины (кристалла) и металлизированным пленкам, находящимся на ней;
не вызывать больших механических напряжений в приповерхностном слое кристалла;
быть влаго- и газонепроницаемыми;
иметь высокие удельные электрическое сопротивление и электрическую прочность;
выдерживать резкие смены температур;
иметь низкую химическую активность и не взаимодействовать с кристаллом;
сохранять защитные свойства в широком интервале температур (от -60 до +125 °C).
ЗАЩИТНЫЕ ЛАКИ, ЭМАЛИ И КОМПАУНДЫ
Для защиты активных элементов пластин и кристаллов от внешних воздействий используют покрытия в виде тонких слоев специальных лаков, эмалей и компаундов (табл. 7). Эти по-
Таблица 7. Свойства лаков, эмалей и компаундов
Материал
Режим сушки
Удельное сопротивление, Ом • см, при температуре, °C
Диапазон рабочих темпераТУР, С
Электрическая прочность, кВ/мм
Термо- стойкость, °C
время, ч
температура, °C
20
200
Лаки
К-1
4
150
1012
1010
—60 до 20С
50
200
К-55
3
150
1013
1012
-60 до 150
50
180
К-57
1
200
1014
1012
-60 » 180
50
200
МК-4У
2
180
1014
ю10
-60 » 180
70
200
КО-938
1
150
1014
ю12
-60» 180
75
200
КО-961
1
20
1014
ю12
-60» 150
85
150
65
Продолжение табл. 7
Мате
риал
Режим сушки
Удельное сопротивление, Ом • см, при температуре, С
Диапазон рабочих темпера-
Электрическая прочность, кВ/мм
Термо- стойкость °C
время, ч
темпе
ратура, °C
тур,
с
20200
АС-539
4
125
Эмали
10141013
-60 »
50
20
150
ЭП-274
1
150
10121010
-60 »
125
15
140
РПЭ-401
5
200
10141012
-60 »
150
30
150
ЭС-50
2
180
10141012
-60 »
125
20
150
МБК-1
10
100
Компаунды
10141012
-60 »
125
15
150
МБК-3
12
80
1013ю12
—60 »
125
25
150
КЛТ-30
5
150
ю13ю11
—60 »
200
40
200
ГК
5
125
ю14ю12
—60 »
200
25
200
ГКН
5
125
ю15ю13
—60 »
200
25
200
крытия сцепляются с поверхностью полупроводниковой пластины (кристалла), тем самым предотвращая доступ водяных паров и кислорода к р-и-переходам, и в основном используются для защиты сплавных, сплавно-диффузионных, мезасплавных, мезадиффузионных и других непланарных структур.
Наряду с лаками, эмалями и компаундами для защиты поверхности кристаллов применяют кремнийорганические вазелины КВ-1, КВ-2, КВ-2А и КВ-3 в сочетании с влагопоглотителями, которые обладают высокими электроизоляционными свойствами. Удельное сопротивление их при 20 °C равно 1014 Ом • см, а при 150 °C — 1012 Ом • см, электрическая прочность составляет 15 кВ/мм. Кроме того, вазелины не вызывают механических напряжений в полупроводниковом кристалле, что является их достоинством.
ОКСИДНЫЕ И НИТРИДНЫЕ ПЛЕНКИ КРЕМНИЯ
Защитные оксидные SiO2 и нитридные Si3N4 пленки кремния наносят при планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС на поверхность полупроводниковых пластин до начала создания р-и-переходов. Локальная диффузия примеси через окна в защитной пленке позволяет изоли- 66
ровать выход р-и-перехода на поверхность кристалла и тем самым защитить его от окружающей среды.
Оксид кремния представляет собой кварцевое стекло, обладает высокими диэлектрическими свойствами, химически стоек к многим кислотам, за исключением плавиковой, при взаимодействии с которой образуется кремниевая кислота. Растворимость Si02 в соляной и серной кислотах незначительна. Более интенсивно он реагирует со щелочами и расплавленными металлами (литием, натрием, калием, кальцием и др.). Оксид кремния имеет очень низкий КТР, который, например, при 20 °C равен 5 • 10 ~7 1/°C. Свойства пленок оксида кремния значительно зависят от способа получения.
На кремниевых пластинах пленки оксида кремния получают термическим окислением кремния при 1100—1200 °C в атмосфере влажного или сухого кислорода. При получении пленок SiOi во влажном кислороде большую роль играет диффузия воды через слой оксида к поверхности чистого кремния. На структурное формирование пленки SiOj оказывает влияние образующийся 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 гидроксильных групп (ОН). На другие полупроводниковые материалы (германий и соединения типа AmBv) пленки SiOj осаждают пиролитическим разложением кремнийорганических соединений (табл. 8).
Таблица 8. Свойства кремнийорганических соединений
Материал
Химическая формула
Молекулярная масса
Температура, °C
кипения
разложения
Тетраэтоксисилан
Si(OC2H,)4
208
167
728-840
Эгилтрнэтоксисилан
C2H,Si(OC1H,)3
192
161
650-750
Амилтриэтоксисилан
C5H11Si(OC2Hs)3
234
198
600-740
Винилтриэтокснсилан
CH2CHSi(OC2Hs)3
190
160
600-700
Фенилтрнэтоксисилан
C,H5Si(OC2H5)3
240
234
610-750
Диметилдизтоксн-
силан
(CH3)2 Si(OC2H5)2
148
111
760-900
Нитрид кремния применяют для защиты и пассивации поверхности 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 SiO2, используя следующие 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 температур от 700 до 900 ° С это аморфный диэлектрический материал, 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 температуры осаждения и соотношения реагентов в газовой фазе. Большая концентрация водорода обычно имеет место при получении пленок при низких температурах и при довольно высокой концентрации аммиака в газовой смеси. Скорость травления пленок Si3N4 в разбавленных растворах плавиковой кислоты — менее 1 нм/мин; их удельное сопротивление при 20 °C равно 1016 Ом • см, а электрическая прочность — 107 В/см.
В качестве защитных находят также применение диэлектрические пленки на основе оксидов таких металлов, как алюминий (А12О3), титан (TiO2), бериллий (ВеО) и цирконий (ZrO2). Исходный материал берут в виде порошка, а в качестве несущего агента используют либо галоген, либо галоидное соединение водорода (табл. 9).
Таблица 9. Режимы осаждения пленок оксидов металлов
Материал источника
Несущий агент
Температура, °C
источника
пластины
А12О3
HCl(HBr)
800-1000
400-700
ВеО
HCl(HBr)
900-1200
500-750
ТЮ2
HCKHBr, Cl2)
800-1000
500-700
ZrO2
HCl(HBr)
1000-1200
500-800
§ 36. ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА
Защита пленками стекла, широко используемая при изготовлении планарных, меза- и мезапланарных структур (рис. 18,а, в), стабилизирует их электрические параметры, так как его слой связывает подвижные ионы, мигрирующие по поверхности полупроводниковой пластины (кристалла). Выбор состава стекла для защитных пленок зависит от конструктивных особенностей изделия и технологии его изготовления. Для защиты 68
Рис. 18. Защита планарной (а), меза (б) и меза-планарной (в) полупроводниковых структур ИМС стеклом:7 - полупроводниковая пластина, 2 — пленка диоксида кремния, 3 - стекло, 4 - пленка металлаРис. 18. Защита планарной (а), меза (б) и меза-планарной (в) полупроводниковых структур ИМС стеклом:7 - полупроводниковая пластина, 2 — пленка диоксида кремния, 3 - стекло, 4 - пленка металла
Рис. 18. Защита планарной (а), меза (б) и меза-планарной (в) полупроводниковых структур ИМС стеклом:
7 - полупроводниковая пластина, 2 — пленка диоксида кремния, 3 - стекло, 4 - пленка металла
Рис. 18. Защита планарной (а), меза (б) и меза-планарной (в) полупроводниковых структур ИМС стеклом:
7 - полупроводниковая пластина, 2 — пленка диоксида кремния, 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.
Фосфэрносиликатные стекла обладают хорошей текучестью, которая с увеличением содержания фосфора возрастает. Растекание фосфорно-силикатного стекла происходит при WOOHOO °C. Для защиты полупроводниковых структур рекомендуются 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 электропроводностью, малыми диэлектрическими потерями, хорошей механической прочностью, термической и климатической стойкостью. Эти стекла могут иметь небольшую концентрацию таких примесей, как оксиды титана, циркония, церия, и устойчивы в широком диапазоне температур. Обычно боросиликатное стекло содержит 85 % SiO2 и 15 % В20з. 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 % SiO2, 7% А120з, 13 % UO.
Халькогенидные стекла имеют в своей основе тройные композиции: мышьяк — сера — таллий и мышьяк — селен — таллий. Тройная диаграмма состояний халькогенидных стекол, на ко- 69
Таблица 10. Составы алюмосиликатных стекол
Номер состава
Компоненты стекла, %
SiO2А120зBaOСаОNa2O
1
2
3 4
5
353529,9-0,1
105534,9-0,1
452034,9-0,1
1060-29,50,5
5050-44,50,5
торой выделена область составов, пригодных для защиты полупроводниковых элементов, показана на рис. 19.
Рис. 19. Диаграммы состояний:а — мышьяк-сера—таллий, б — мышьяк-селен-таллийРис. 19. Диаграммы состояний:а — мышьяк-сера—таллий, б — мышьяк-селен-таллий
Рис. 19. Диаграммы состояний:
а — мышьяк-сера—таллий, б — мышьяк-селен-таллий
Рис. 19. Диаграммы состояний:
а — мышьяк-сера—таллий, б — мышьяк-селен-таллий
Многокомпонентные стекла отличаются низкой проницаемостью для различных агрессивных сред (газов и паров воды) и малым коэффициентом диффузии щелочных ионов (особенно натрия). Кроме того, они обладают достаточно низкой температурой размягчения, большим электрическим сопротивлением, малыми диэлектрическими потерями и хорошей устойчивостью к расстекловыванию. Добавка ТЮ2 снижает КТР без существенного увеличения температуры размягчения.
Для приготовления стекла нужного состава отдельные компоненты размельчают в шаровых мельницах (размер частиц должен 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 жидкостей, значительно отличающихся диэлектрическими характеристиками, но имеющих одинаковые вязкость и летучесть. Приготовляя суспензию, порошкообразное стекло сначала размешивают в жидкости с более высокой диэлектрической постоянной. При этом имеющиеся в стекле агломераты распадаются и переходят во взвешенное состояние. Кроме того, частицы стекла в такой жидкости приобретают больший электрический заряд и сильнее отталкиваются друг от друга, вследствие чего образуется лучшая коллоидная суспензия. При добавлении в такую суспензию жидкости с более низкой диэлектрической постоянной частицы стекла остаются во взвешенном состоянии.
Для получения тонких стеклянных защитных пленок, равномерных по составу и толщине, рекомендуется смесь из бутилового, изопропилового спиртов и бензина, взятых в соотношении 1:6:2. Стеклянные суспензии наносят на поверхность пластин пульверизацией и подвергают термической обработке, в результате чего образуется защитная пленка.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие требования предъявляют к материалам для защитных покрытий?
Каким требованиям должны отвечать защитные лаки, эмали и компаунды?
Какие методы получения пленок SiOj и SigNa вы знаете?
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 которым предъявляют определенные требования. Так, металлы, соединяемые со стеклом и керамикой, должны давать герметичные спаи и образовывать прочные элементы конструкции корпуса, а материалы, применяемые для изготовления выводов корпусов, — 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 другими 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 плавления 1083 °C. Давление паров при 1000 °C равно 1,3 • 10'2 Па. Удельное сопротивление при 20 °C равно 1,7 • 10“6 Ом • см. Медь обладает достаточно высоким КТР, который при температуре от 20 до 100 °C равен 1,6 • 10~5 1/°С. Предел прочности меди при растяжении в неоттоженном состоянии 5 • 10® Н/м2, а в оттоженном — 2,5 • 10® Н/м2. Медь обладает наибольшей после серебра теплопроводностью и высокими пластическими свойствами — 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 только 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 МВ (вакуумной плавки), которая хорошо паяется мягкими и твердыми припоями. Контактная 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 нанесенным слоем адгезива, облицована с одной стороны электролитической медью (медной фольгой) и применяется при сборке ИМС в качестве рамочных выводов. Лента медь — ковар — медь МКМ представляет собой основу из желеэоникелькобальтового сплава, плакированную с одной или двух сторон медью. Соотношение слоев по толщине 12, 76 и 12 %.
Никель Ni — металл серебристо-серого цвета (см. § 32), применяемый для изготовления никелевой проволоки. Предел прочности при растяжении в неоттоженном состоянии равен 9 • 10® Н/м2, а в оттоженном — 5 • 10® Н/м2. Удельное сопротивление при 20 °C равно 6,8 • 10~6 Ом • см, КТР равен 6,5 • 10“5 1/ °C. Никель легко протягивается и механически обрабаты- 72
вается. В атмосфере водорода поддается пайке твердыми и мягкими припоями и хорошо сваривается. Для изготовления деталей корпусов используют никель в виде ленты, проволоки и многослойных ленточных композиций (лента никелевая с полоской золота НЗ-0, 21-35, лента никель — медь — никель НМН, лента никелевая с полоской алюминия НА-О, 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 °C. При изменении температуры КТР стали изменяется мало и равен 1,2 • 10~5 1/°C. 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 сваривается. При горячей штамповке, ковке и прокатке она упрочняется. 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 полупроводниковых приборов ИМС.
Ковар — сплав, содержащий от 28,5 % до 29,5 % никеля и от 17 до 18 % кобальта, остальное — железо. Достоинство ковара — 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 °C. КТР при 20—200 °C равен (4,3-г5,4) • 10"6 1/ °C. 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, кадмием, 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 соответственно 42 и 46 % никеля, остальное — железо и имеют КТР, равный 9 • 10'6 1/ °C. По сравнению с коваром эти сплавы более пластичны 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/ °C 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 твердого состояния в жидкое. Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и режима обработки. Кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния, имеет наименьшую плотность (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 обладают боросиликатные стекла, содержащие до 15 % оксида бора. Стекла имеют КТР от 5 • 10~8 до 8 • 10”7 1/ °C. Следует отметить, что стекла с небольшим КТР хорошо выдерживают резкие колебания температур. При введении в состав стекла оксидов щелочных металлов его КТР значительно повышается. Стекла отличаются низкой электро- и теплопроводно стью, а их удельное сопротивление в зависимости от состава изменяется от 108 до Ю18 Ом • см. Химическая стойкость стекол также зависит от состава.
Стекло широко используют при изготовлении различных корпусов полупроводниковых приборов и ИМС, а также металлостеклянных спаев, проходных изоляторов и оптических линз для оптоэлектронных приборов. Все стекла можно условно разделить на две группы: тугоплавкие, КТР которых не превышает 5 • КГ6 1/ °C, и легкоплавкие с более высоким КТР.
Тугоплавкие стекла имеют боросиликатную или алюмосиликатную основу,, обладают высокими диэлектрическими свойствами, большими термостойкостью, температурой размягчения и механической прочностью.
Легкоплавкие стекла имеют свинцовый, баритовый или магнезиальный состав. Так, свинцовое стекло С87-1 содержит 30 % оксида свинца, обладает высокой пластичностью и хорошими диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать 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 боросиликатных стекол С48-1, С48-2 и С49-1 — получение герметичных спаев с одним из основных материалов, применяемых в производстве корпусов, — коваром.
Алюмосиликатные стекла обладают высокими температурами 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 свойства различных стекол приведены в табл. 13 и 14.
Таблица 13. Химический состав стекол
Марка
Компоненты стекла, %
S1O2 В2О3 РЬО AI2O3 СаО MgO №2€) К2О MnO Р2О5
С37-1 С39-1
С49-1 С50-2 С89-2 С90-1
57,6--257,28,2-2,0--
73,016,56,0---3,01,5--
66,520,3-4,0--8,7-0,5-
7,035,0-23,06,314,2---14,5
69,62,8-4,06,9-9,07,7--
69,5---5,53,5 12,5 4,0--
Таблица 14. Свойства стекол
Свойство
Марка
С37-1 С39-1 С49-1 С50-2 С89-2 С90-1
Температура размягчения, °C
Удельное сопротивление р • 1011, Ом • см КТР • 10“б, 1/ °C
806630580665580550
1110,111
3,73,94,95,08,99,0
§ 39. КЕРАМИКА
Керамику — твердый и плотный материал, широко применяемый при изготовлении элементов корпусов, получают спеканием неорганических солей с различными минералами или оксидами металлов. Исходные компоненты могут быть непластичными
(кристаллообразующими) и пластичными. Кристаллообразующими компонентами являются неорганические соли (хлористые алюминий, железо, магний и др.), минералы (кварц, глинозем, тальк), оксиды металлов (циркония, бария, кальция, магния, титана и др.) и карбонаты, а пластичными — различные глинистые 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, зависят от ее состава и режима изготовления. В производстве корпусов используют алюмооксидную, миналундовую, стеатитовую, кордиеритовую и бериллиевую керамику.
Алюмооксидная керамика содержит от 90 до 97 % оксида алюминия А12О3. Плотность различных сортов этой керамики от 3,95 до 4,01 г/см3. Температура плавления 2050 °C. Предел прочности на сжатие 109 Н/м2, а из сдвиг и кручение 2 • 108 Н/м2. КТР равен 7,5 • 10”6 1/°C. Удельное сопротивление от 1012 до 1016 Ом -см. Диэлектрическая проницаемость при 20 °C и частоте 106 Гц равна 8— 12, а тангенс угла диэлектрических потерь составляет от 0,001 до 0,0003. Электрическая прочность от 45 до СЭ кВ/мм.
Алюмооксидную керамику получают из предварительно обожженного молотого технического глинозема или электро- плавлегзого корунда. Для снижения температуры обжига керамики добавляют минерализаторы (А1С13, FeCl3, 3NaFAlF3, TiO2. MnO, Fe2O3, MgO), а для изменения ее свойств — модифи- к^горы (SiO2, MgO, Na2O, К2О, ВаО). Из алюмооксидной керамики 22Х, 22ХС и ВГ-IV и миналундовой М-7 (табл. 15) изготовляют вакуум-плотные переходные изоляторы для корпусов I МС.
Таблица 15. Состав алюмооксидной керамики
Марка
Компоненты керамики, %
А12О3
SiO2
Сг2О3
МпО
СаО
MgO
Fe2O3
Na2O
22Х
94,40
2,76
0,45
2,39
—
—
—
—
22ХС
94,40
2,76
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 • •4SiO2 • Н2О до 4MgO-5SiO2 • Н2О. 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 корпусов 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 предварительно обожженных и измельченных стеатитовых масс с добавлением 10—15 % термопластичной связки (парафина). Характерные 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 °C для удаления органической связки и обжиге при 1000-1300 °C.
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, %
SiO2
AI2O3+ TiC
2 Ре2Оз
СаО
MgO
ВаО
Na2O
К2О
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
2,662,62,62,6533
Св
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 диэлектрическая проницаемость
6,1
6,0
5,5
5,8
6
7
Тангенс угла диэлектрических потерь tgS • 103
2,5
2
1,5
0,8
0,6
0,1
Предел прочности, Н/м2 при изгибе аи • 107
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 применяют форстеритовую керамику ЛФ-11, КВФ-4 и форстерит-17 (табл. 18 и 19).
Таблица 18. Свойства форстеритовой керамики
Марка керамики
Компоненты керамики, %
AI2O3
SiO2
ВаО
СаО
MgO
ЛФ-11
0,8
41,7
6,0
—
51,5
КВФ-4
4,3
41,6
7,7
—
46,4
Форстерит-17
2,6
44,0
7,8
0,6
45,0
Таблица 19. Свойства форстеритовой керамики
Свойство
Марка ЛФ-11 КВФ-4Форстерит-17
Плотность, г/см3 Удельное сопротивление, Ом • см
2,93,03,2
1013101з1014
Марка
Свойство
ЛФ-11 КВФ-4Форстерит-17
Электрическая прочность.
кВ/мм
45
48
46
Относительная диэлектрическая проницаемость
7,1
6,7
6,9
Тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 • 10'4
5
5,5
4,6
Предел прочности, Н/м2: при изгибе аи • 1010
1,8
1,7
1,7
при растяжении ор • 108
2
4
5
КТР ■ 10-6, 1/ °C
8,3
8
8,5
Теплопроводность, Вт/ (м ■ К)
7
10
12
Кордиеритовая керамика представляет собой материал, получаемый на основе минерала кордиерита (2 MgO • 2 А12 Оз • •5 SiO2). Состав кордиеритовой керамики наиболее распространенных марок приведен в табл. 20, а основные свойства — в табл. 21.
Таблица 20. Состав кордиеритовой керамики
Марка
Компоненты керамики, %
SiO2
А12О3
Fe2O3
СаО
MgO
Na2O
К2О
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
К-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
Плотность, г/см 3
Удельное сопротивление р- 1012,
2,2
2,2
2,3
1,9
2,6
Ом • см
2
1
8
1
1
79
Свойство
Марка
Л-24К-2К-4 КДИ-2 КП-2
Электрическая прочность, кВ/мм Относительная диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 ■ 10“3
Предел прочности, Н/м2:
при изгибе аи ■ 107
при растяжении ор • 107
КТР- 10~6, 1/°С
Теплопроводность, Вт/(м • К)
1516141515
6,36,56,56,36,5
211,711
76629
2110,82
1,21,41,61,82,0
6,56,06,26,16,1
Синтез кордиерита проводят из различных исходных материалов: оксидов металлов, талька, глины, глинозема, кварца и ДР-
Основное назначение кордиеритовой керамики — изготовление изоляторов, способных выдерживать большие перепады температур.
Бериллиевая керамика обладает самой высокой среди всех керамических материалов теплопроводностью и поэтому применяется в микроэлектронике для изготовления корпусов, которые позволяют изолировать полупроводниковый кристалл от металлического основания и отводить от него теплоту. Плотность бериллиевой керамики 2,8 г/см3. Прочность на изгиб 1,8 • 108 Н/м2, а на растяжение 1,37 • 107 Н/м2. Теплопроводность 150 Вт/(м - К). Электрическая прочность около 100 кВ/мм. Удельное сопротивление 1014 Ом ■ см, КТР равен 8-10-61/°С. Относительная диэлектрическая проницаемость 6,5. Тангенс угла диэлектрических потерь 10~4.
ПЛАСТМАССЫ
Для герметизации изделий микроэлектроники применяют пластические материалы на основе эпоксидных, кремнийоргани- ческих и полиэфирных смол.
Эпоксидные смолы представляют собой группу искусственных материалов, получаемых в результате реакции эпихлоргидрина или дихлоргидрина с многоатомными фенолами, резорцином, анилином и гликолями. В полупроводниковом производ- 80
стве широко применяют эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-б, Э-37, ЭЦ и Т-10, особенностью которых является возможность отверждения в зависимости от используемого отвердителя при комнатной и при повышенных температурах. Так, при использовании в качестве отвердителя алифатических аминов отверждение происходит при температуре 20 °C. Введение ароматических аминов повышает температуру отверждения смолы до 60 °C, пиперидина — до 100 °C. Для отверждения эпоксидных смол наиболее часто используют следующие материалы:
диэтилентриамин (ДЭТА) — температура отверждения 100°C (6 ч);
гексаметилендиамин (ГМДА) — температура отверждения 20 °C (20 сут), 80 °C (10 ч) и 120 °C (2 ч);
М-фенилендиамин (МФДА) — температура отверждения 80 °C (8 ч) и 120 °C (2 ч);
дициандиамин (ДЦДА) — температура отверждения 170 °C (30 мин);
триэтаноламин (ТЭА) — температура отверждения 80 °C (6 ч);
диметиланилин (ДМА) — температура отверждения 20 С (8 ч).
Компаунды представляют собой продукты модификации эпоксидных смол отвердителями, пластификаторами и наполнителями. Для герметизации ИМС используют следующие компаунды: эпоксидно-полиэфирные (К-115, К-201, К-168, К-176, Д-2, Д-4, Д-19, ЭЗК-11 и ЭЗК-12); эпоксидно-тиоколевые (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. Наиболее 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 приборов, а кремнийорганические масла, затвердевающие при на- греваниии, — для заливки электронных устройств. Кремнийорганические каучуки после вулканизации превращаются в упругие твердые вещества, хорошо герметизирующие полупро- 81
водниковые кристаллы с р-и-переходами. Кремнийорганические пресспорошки и компаунды применяют для герметизации ИМС трансферным прессованием'и заливкой в формы.
Полиэфирные смолы представляют собой растворы ненасыщенных полиэфиров в мономерах или олигомерах и относятся к термореактивным материалам, обладающим небольшой вязкостью и способностью к отверждению при различных температурах. Получают эти смолы поликонденсацией гликолей (этиленгликоля, ди этиленгликоля, триэтиленгликоля и др.) с малеиновым и фталевым ангидридами. Многие выпускаемые промышленностью полиэфирные смолы содержат в качестве мономера (растворителя) стирол.
ПРИПОИ
Припои - это сплавы различных металлов, применяемые для соединения металлических или металлизированных деталей друг с другом. В зависимости от температуры плавления припои делятся на мягкие и твердые. Мягкие припои имеют температуру плавления ниже 450 °C, а твердые выше 450 °C
Мягкие припои хорошо смачивают соединяемые металлические детали и процесс пайки ими не вызывает особых трудностей, однако прочность соединения невысока. Твердые припои позволяют получать прочные паяные соединения, но пайка при температуре выше 450 °C допустима не во всех случаях.
К припоям, которые применяют в полупроводниковом производстве, 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 также обеспечивать герметичность паяного соединения.
В качестве мягких припоев используютоловян- но-свинцовые сплавы с добавками других металлов. Эти припои выпускают в виде проволоки, ленты, а также трубок, заполненных флюсом. Из лент обычно штампуют изделия требуемой формы (диски, кольца, шайбы), которые применяют в виде прокладок при пайке. Наибольшее распространение получили мягкие припои марок ПОС 40, ПОС 61, ПСр 61, ПСрОС 3,5-95, ПСрОС 3-58, ПСрОСИН 3-56. Пайку мягкими припоями проводят как с флюсами, так и без них.
Припой ПОС 40 содержит 40 % олова, 60 % свинца и небольшое количество примесей (индия, сурьмы, никеля) и используется для лужения выводов, а также при сборочных операциях. 82
Температура плавления припоя в зависимости от количества примесей лежит в пределах от 200 до 250 °C.
Припой ПОС 61 содержит 61 % олова, 38,2 % свинца, 0,8 % сурьмы, применяется при изготовлении деталей корпусов, а также при сборочных операциях и обеспечивает высокую герметичность паяных соединений. Температура плавления 185 °C.
Припои ПСрОС 3,5-95, ПСрОС 3-58 и ПСрОСИн 3-56 представляют собой сплавы серебра, олова, свинца и индия и имеют температуру плавления от 180 до 220 °C. 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) применяют сплавы на основе серебра, золота и меди, которые обеспечивают прочные и чистые паяные соединения. Пайку твердыми припоями обычно проводят без флюсов в атмосфере водорода, активно восстанавливающего оксиды металлов. Основные марки твердых припоев приведены в табл. 22.
Таблица 22. Твердые припои
Марка '
Компоненты припоя, %
Температура плавления, С
Ап
Ag
Си
№
In
Pd
Sn
ПСр999
—
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 пайке от воздействия окружающей окислительной среды, и активные, восстанавливающие оксиды металлов. Защитными флюсами являются спиртовые растворы канифоли и стеарин, а активными — хлористые цинк и аммоний, а также фтористый цезий.
КЛЕИ
Клеи - это вязкие вещества, применяемые для соединении разно- родвых 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 процесса и конструктивных особенностей выпускаемых изделий клеи подразделяют на токопроводящие и изолирующие и предъявляют к ним повышенные требования по чистоте и электрофизическим свойствам.
Токопроводящие клеи, среди которых наиболее распространены АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и 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. Адгезия к алюминию, кремнию и никелю 2 • 106 Н/м2. Диапазон рабочих температур от —60 до +450 °C. Жизнеспособность 24 ч. Для приготовления берут 100 г клея АС-40В, 200 г порошка серебра или никеля, 10 мл глицидилового эфира и 20 мл толуола.
Клеи ЭК-А и ЭК-Б - пастообразные жидкости, представляющие 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 °C. Жизнеспособность 16 ч.
Клей К-3 - тоже пастообразная жидкость. Удельное сопротивление 0,05 Ом • см. Адгезия к алюминию, кремнию, ковару, никелю и золоту 2 • 106 Н/м2. Диапазон рабочих температур от -60 до 125 °C.
Клей ЭВТ представляет собой смесь клея АС-40В с эпоксикремнийорганической 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 • 10s Н/м2, на никеле 4,5 • 10s Н/м2 и на золоте 3 • 10s Н/м2. Диапазон рабочих температур от —60 до +200 °C. 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 рабочих температур от —60 до +125 °C. Жизнеспособность не более 1 ч.
Изолирующие клеи ЭД-16, КП-1 и ВК-32-200 представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с наполнителями из стекла или кварца.
Клей ЭД-16 состоит из 5 г эпоксидной смолы, 2,5 г пылевидного кварца, 1,5 г дибутилфталата и 15 капель полиэтиленполиамина.
Я4
Клей КП-1 имеет удельное сопротивление 10*4 Ом • см.
Клей ВК-32-200 обладает высокими адгезионными свойствами к полупроводниковым материалам.
Оптические клеи составляют особую группу и используются 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 оптические клеи ОК-72, ОП-429, ОП-430 и ОП-ЗМ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие материалы используют-для изготовления корпусов и какие требования к ним предъявляют?
Из каких материалов изготовляют металлостекпянные н металлокерамические спаи?
Какие керамические материалы и пластмассы применяют в производстве корпусов?
Какие виды припоев вы знаете?
Какие клен применяют в производстве изделий микроэлектроники?
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 свойствами.
Пластины ГИС изготовляют из боросиликатных и алюмосиликатных 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 кристалликами, сросшимися друг с другом или соединенными тонкими прослойками остаточного стекла. Получаемые в результате катализированной кристаллизации стекла при термообработке ситаллы занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой.
Технология получения ситалла состоит из нескольких операций. Сначала изготовляют изделие из стекломассы и подвергают его двухступенчатому термическому нагреву при 500—700 °C и 900-1100 °C. На первой стадии происходит образование зародышей 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 диэлектрические и температурные свойства (табл. 23). Большинство ситаллов представляют собой материалы, полученные на основе следующих композиций: Li2O — А12О3 — SiO2 — TiO2; СаО — А12О3 - SiO2 - TiO2; MgO - А12О3 - SiO2 - ТЮ2; BaO - Al2 O3 — SiO2 — TiO2.
Таблица 23. Основные свойства ситаллов
Марка
Свойство
'О
об
5
О
го
О
го
го
3
ОО
Ох
5
5
6
6
5
5
Плотность, г/см3
Удельное сопротивление
3,1
2,8
2,9
2,8
2,8
2,9
2,9
р ■ 1014, Ом • см
0,01
0,1
1
1
1
1
1
Электрическая прочность, кВ/мм
Теплопроводность,
50
110
40
70
80
90
105
Вт/(м-К)
Относительная диэлектриче-
1,1
1,3
1,3
1,2
1,2
1,3
1,3
скал проницаемость
Тангенс угла диэлектриче-
10
5,5
7,3
8,5
6,4
6,6
6,8
ских потерь tg 8 • 10-3
0,3
2
2
3
2
1
1
КТР- 10"6, 1/°С
Предел прочности при нзги-
3,2
3,6
3,8
5,2
5,7
8
9
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 алюминия (поликора). Пластины из поликора используют также для осаждения пассивных элементов ГИС.
86
Поликор содержит до 99,7 % оксида алюминия. Плотность поликора 3,96 г/см3. КТР равен 8,5 • 10~6 1/°С. Тангенс угла диэлектрических потерь не превышает 2- 10'4. Относительная диэлектрическая проницаемость 9,8. Удельное сопротивление выше 1014 Ом • см.
Брокерит содержит до 98 % оксида бериллия, остальное - минерализатор (А120з, СаО, SiO2). Плотность брокерита 2,8 г/см3. Удельное сопротивление 1014 Ом • см. Теплопроводность 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- i, щие из изоляционной основы с созданными в ней участками j полупроводника, которые могут располагаться как на поверхности, 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 механические напряжения, возникающие в результате различия КТР ; изоляционного и полупроводникового материалов. Это особенно 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. Комбинированные пластины имеют толщину 200—250 мкм и диаметр 60—120 мм.
. В ряде случаев в микроэлектронике используют пластины из фотоситалла.
Фотоситалл — материал, получаемый кристаллизацией светочувствительного стекла, состоит из 75 % оксида кремния, 11,5 % оксида лития, 10 % оксида алюминия и оксида калия, остальное — азотнокислое серебро и оксид церия. Фотоситалл устойчив к кислотам, обладает высокой механической прочностью и термоустойчив. Удельное сопротивление его не превышает 1010 Ом • см. Рельеф рисунка фотошаблона проявляют ультрафиолетовым 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- J ностным электрическим сопротивлением — сопротивлением квадрата тонкопленочного материала. Сопротивление пленочно-,
го резистора, имеющего длину /, ширину к, толщину h и удельное сопротивление р, определяют по формуле R = pl/hk. Сопротивление квадрата пленки Rs = pfh не зависит от размера стороны квадрата и его принято выражать в единицах ом на квадрат (Ом/D). При этом сопротивление тонкопленочного резистора R=Rsl/k.
Так как минимальная ширина к резистивной пленки лимитируется возможностями фотолитографии, сопротивление тонкопленочного резистора определяется только поверхностным сопротивлением исходного резистивного материала R^ и длиной Z резистивной полоски. Для уменьшения площади, занимаемой'
резистором, его часто выполняют в виде ломаной (зигзагооб-;
разной) полоски.j
В микроэлектронике тонкопленочныерезисторы изготов-/
ляют из различных материалов: металлов,оксидов металлов;
и соединений металлов с диэлектриками. Следует отметить, чтоj
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 высокоеj
удельное сопротивление, чем основной материал. На основеj
пленок титана и тантала, а также силицидов железа, никеля и:
хрома можно получать резисторы, обладающие значительнымj
сопротивлением. Рениевые и вольфрамовые резисторы могут3
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 материала, 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- К ные двух- и трехкомпонентные силицидные сплавы МЛТ. Один 1 из этих сплавов МЛТ-3 (55 % Si, 30 % Ст, 15 % Fe) широко ис- я пользуют для изготовления тонкопленочных резисторов с удель- g ным поверхностным сопротивлением пленки 300 Ом/П и ТК р |
Таблица 24. Свойства и состав резистивных сплавов
Сплав
Свойство
о
и
3 О
О
3
0
1 0 Ви
о
2
о о $
Плотность, г/см3
5
3,5
5,3
5
4
4,6
4,7
Удельное сопротивление Rs- Ю4, Ом/о
7
2
0,05
0,05
0,3
5
0,01
Температура плавления, С
1250
1380
1570
1420
1350
1400
1550
Мощность рассеивания, Вт/см2
4,8
5,0
4,5
3,5
5
5,5
5
Толщина пленки, мкм
0,3
0,15
0,20
0,15
0,1
0,1
0,15
ТКр- 10"4, 1/°С
2
1,5
2
5
3
2
2
Состав, %: 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 10-4 1/°С. Кроме того, резисторы изготовляют из пленок карбида, нитрида хрома,' тантала, вольфрама, а также нихрома и сплавов на медной основе.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК
Проводящие пленки предназначены для создания токопронодящих коммутационных дорожек, соединяющих между собой актннные и пассивные элементы ИМС, а также формирования контактных площадок на поверхности пластин. .
Так как проводящие пденки должны иметь удельное поверхностное сопротивление не выше 0,01 Ом/D, удельное сопротивление металла должно быть ниже 10-6 Ом -см. Проводящие пленки должны выдерживать большие плотности тока (большинство современных ИМС рассчитано на плотность тока до 105 А/м2) и обладать высокой адгезией к поверхностям, на которые их наносят (кремний, металлы, SiO2, Si3N4).
Для получения надежных контактных соединений пластина — проводящая пленка необходимо, чтобы адгезия была не менее 106 Н/м2. С одной стороны, адгезия пленочного материала 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 проводящих пленок (доли микрометра) адгезия не зависит от толщины пленки. Однако при увеличении толщины пленки до нескольких микрометров в них накапливаются внутренние механические напряжения, которые снижают адгезию.
Требование хорошей адгезии исключает возможность применения в качестве проводящих пленок без соответствующего подслойного материала таких металлов, как золото, серебро и медь, т.е. металлов, обладающих высокой электро- и теплопроводностью. Поэтому пленки из золота, серебра и меди могут использоваться 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 коммутационных дорожек и контактных площадок на различных полупроводниковых и изоляционных пластинах.
В тех случаях, когда по технологическим или конструктивным соображениям алюминий использовать нежелательно, проводящие пленки выполняют в виде многослойных металлических 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 толщиной 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 использовании в качестве второго слоя пленки золота третий (защитный) слой не наносят.
Наиболее часто применяют следующие композиции металлов: 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 (МВ 0,6 мкм) - никель (0,1 мкм); нихром (0,01 мкм) - медь (0,6 мкм) — золото (0,05 мкм); нихром (0,01 мкм) — алюминий (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/П. В многослойных композициях недопустим непосредственный контакт металлов, взаи- 90
модействующих между собой, потому что возникают новые соединения. Так, контакт золота с алюминием приводит к образованию нежелательных хрупких интерметаллических соединений (Au2A1, AuA12), которые служат причинами разрушения пленки и выхода ИМС из строя.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
Тонкопленочные конденсаторы представляют собой плоскую трехслойную конструкцию, состоящую из двух электродов, 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 eld (где е - относительная диэлект- t рическая проницаемость изоляционного материала, d — толщина £ диэлектрика, мкм). Из формулы видно, что для получения I высоких номиналов емкостей конденсаторов необходимо, чтобы диэлектрик имел большое значение е и его слои были ► возможно более тонкими. Большинство применяемых в микроэлектронике диэлектриков имеют е = 10т500. Толщина пленок из них не может быть меньше 0,1 мкм из-за возникающих - дефектов.
В качестве диэлектриков для тонкопленочных конденсаторов применяют оксиды тантала Ta2Os, кремния SiO2 и алюминия 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 окисления 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 конденсаторов порядка 10s пФ/см2. Высокая удельная емкость танталовых конденсаторов обусловлена не столько повышенной диэлектрической проницаемостью оксида тантала (е = 20), сколько возможностью нанесения тонких пленок диэлектрика.
В планарной технологии ИМС для изготовления тонкопленочных 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 эксплуатационными 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 приведены в табл. 25.
Таблица 25. Свойства диэлектрических пленок
Свойство
Пленка диэлектрика
Боросиликатное стекло
SiO
SiO 2
AI2O3 Та20з ТЮ2
Удельная емкость Суд . 104, пФ/см2
1,2
0,8
3,5
1,5
2,5
2,0
Тангенс угла диэлектрических потерь tg6 • 10-3
5
1
1
8
3
1,5
Электрическаяпроч
ность, кВ/мм
2
4
2
5
0,5
5
Температурный коэффициент емкости а-10-4, 1/ °C
3,0
4,0
5,0
4,0
3,0
5,0
Диэлектрическая проницаемость
5
4
4
20
80
4
§ 47. ПАСТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Для изготовления толстопленочных (более 10 мкм) элементов 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 состоят из металла (Au, Ag, Pd, Bi, Pt), стеклофазы и органических жидкостей. Каждый из этих компонентов формирует свойство пасты: металл обеспечивает проводящие свойства толстых пленок, стекло удержйвает 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 металлических порошков (Au —Pt, Au — Pd, Au — Pd — Pt, Ag — Pd), используя в качестве органических жидкостей различные спирты, эфиры и смолы.
Резистивные пасты изготовляют из смеси порошков металлов, стекла и оксидов металлов (оксид таллия — свинцово-боро- силикатное стекло — серебро; палладий — оксид висмута — оксид палладия; палладий — оксид палладия — серебро и др.).
Диэлектрические пасты применяют для изоляции мест пересечения проводников толстопленочных схем и защиты их элементов от внешних воздействий. Основным функциональным материалом этих паст служит стекло.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Из каких материалов изготовляют пластины для ИМС и ГИС?
Каковы основные свойства резистивных сплавов?
Каковы основные свойства проводящих пленок?
Какие пасты используют для создания элементов толстопленочных ГИС?'
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель!.
Изучив эту книгу, вы узнали, какие требования предъявляют к различным материалам, применяемым для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Теперь вы знаете, что важно не только правильно выбрать полупроводниковый материал, но и необходимо подобрать соответствующие абразивные, химические, легирующие, фоторезистив- ные, электродные и защитные материалы.
Настоящая книга должна стать основой при дальнейшем изучении вами технологии изготовления полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники.
В процессе обучения и последующей деятельности вы, очевидно, будете встречаться с новыми полупроводниковыми, сверхполупроводниковыми, диэлектрическими и магнитными материалами. Поэтому вы должны систематически углублять свои знания, следить за технической литературой, изучать свойства новых материалов. Все это будет способствовать повышению 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. ЭлектроматсриаловеДение. М„ 1988.
Электрорадиоматериалы / Подред. Б.М. Тареева. М„ 1978.
Стр.3Стр.355 68 И 12 13 151616 17 18 20 2225 28 3055 68 И 12 13 151616 17 18 20 2225 28 3032323435353739403232343535373940444447484951524444474849515254545557606464955454555760646495
Стр.
3
Стр.
3
5
5 6
8 И 12 13 15
16
16 17 18 20 22
25 28 30
5
5 6
8 И 12 13 15
16
16 17 18 20 22
25 28 30
32
32
34
35
35
37
39
40
32
32
34
35
35
37
39
40
44
44
47
48
49
51
52
44
44
47
48
49
51
52
54
54
55
57
60
64
64
95
54
54
55
57
60
64
64
95
Введение
Глава первая. Общие сведения о материалах микроэлектроники
Классификация
Физические основы строения металлов и сплавов
Полупроводники и их свойства
Диэлектрики и их свойства
Магнитные материалы и их свойства
Пластические материалы и их свойства
Светочувствительные материалы и их свойства
Глава вторая. Полупроводниковые материалы
Основные требования
Классификация
Методы получения
Германий
Кремний
Полупроводниковые соединения
Полупроводниковые эпитаксиальные пленки
Контроль качества полупроводниковых материалов . . .
Глава третья. Материалы для механической и химической обработки полупроводников § 16. Классификация абразивных материалов § 17. Алмазные порошки и пасты § 18. Полировочные материалы § 19. Материалы для шлифовальников и полировальников . . § 20. Материалы для крепления слитков и пластин при механической обработке
Материалы для отмывки пластин
Химические жидкие смеси для травления
Глава четвертая. Материалы для фото-, реитгеио- и электроиолитографии § 23. Фоторезисты и их свойства § 24. Рентгено- и электронорезисты § 25. Светочувствительные эмульсии § 26. Проявители для фото- и электронорезистов, эмульсий . . § 27. Растворители для фото- и электронорезистов § 28. Материалы для фотошаблонов
Глава пятая. Материалы для легирования полупроводников и изготовления электродных выводов § 29. Акцепторные элементы § 30. Донорные элементы §31. Диффузанты §32. Электродные металлы и сплавы
Глава шестая. Материалы дли защиты р-л-переходов
Основные требования
Защитные лаки, эмали и компаунды 65
Оксидные и нитридные пленки кремния 66
Защитные стекла 68
Глава седьмая. Материалы для корпусов 71
Металлы и сплавы 71
Стекла 74
Керамика 75
Пластмассы 80
Припои . .82
Клеи 83
Глава восьмая. Материалы для изготовления пассивных элементов интегральных микросхем 85
Пластины для интегральных микросхем 85
Резистивные материалы 87
Материалы для проводящих пленок 89
Материалы для тонкопленочных конденсаторов91
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. редакторы Л.А. Васильева, Т.В. Шеганова. Художественный редактор В.Г. Пасичник. Художник П.Б. Борисовский. Технический редактор 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 усл. печ. л. 5,25 усл. 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.
IIIIIIIIIIIIIIII
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
СЕРИЯ КНИГ