книги из ГПНТБ / Брук В.А. Производство полупроводниковых приборов учебник для подготовки рабочих на пр-ве
.pdfВ. А. БРУК, В. В. ГАРШЕНИН, А. И. КУРНОСОВ
ПРОИЗВОДСТВО
ПОЛ VПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
ИЗДАНИЕ 3-е, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
ИДОПОЛНЕННОЕ
Одобрено |
Ученым |
Советом Государственного |
комитета Совета |
|
Министров |
СССР |
по профессионально-техническому |
образованию |
|
в качестве |
учебника |
для подготовки рабочих |
на |
производстве |
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
МОСКВА 1973
6Ф0.32 Б89
Брук В. А., Гаршенин В. В., Курносое А. И.
Б89 Производство полупроводниковых приборов. Учебник для подготовки раб. на произв. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Высшаяшкола», 1973.
264 с. с ил.
В учебном пособии описаны основные' типы полу проводниковых приборов и интегральных схем, -принцип действия, производство, измерения и испытания. Прнпедены сведения о материалах, применяемых в полупро водниковом производстве, контроле их качества и тре
бованиях |
к ним. |
Третье |
издание переработано и дополнено описа |
нием новых технологических методов, используемых |
при производстве полупроводниковых приборов. Более
полно рассмотрены прецизионная |
обработка |
полупровод |
|||||||
никовых |
материалов, |
способы |
защиты |
поверхности |
|||||
р — п-переходов |
нитридными |
и |
стеклянными пленками, |
||||||
технологические |
приемы |
изготовления |
фотошаблонов, |
||||||
корпусов и элементов интегральных схем. |
|
||||||||
|
Книга предназначена в качестве учебника для под |
||||||||
готовки |
рабочих |
полупроводникового производства. |
|||||||
Б |
3 3 1 2 ~ 0 4 1 |
48-73 |
|
|
|
|
6 Ф ° - 3 2 |
||
|
001(01)—73 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Со |
всеми |
предложениями |
н замечаниями просим |
|||||
обращаться |
по |
адресу: |
Москва, |
К-51, |
Неглинная ул., |
||||
д. 29/14, |
издательство «Высшая |
|
школа». |
|
|
Гос . пубп-нчнря
~G ЗАЛА
Вадим Аркадьевич |
Брук, |
Владимир |
Васильевич |
Гаршенин, |
Анатолий |
Иванович |
Курносое |
|
Производство полупроводниковых приборов
Редактор А. Ш. Долгова
Художественный редактор Т. В. Панина
Художник А. И. Шавард
Технический редактор Н. Н. Баранова
Корректор М. М. Малиновская
Т — 15856. С д а н о |
в |
н а б о р |
15/V |
1972 г. |
П о д п . |
к п е ч а т и |
13/XI |
1972 г. |
Ф о р м а т |
бОХДО/іа- |
||||||
О б ъ е м 16,5 печ . |
л . |
У ч . - и з д . л . |
17,83. |
И з д . |
№ |
Э Г — 164. |
Т н о а ж |
26 ООО |
э к з . Ц е н а |
54 к о п . |
||||||
П л а н в ы п у с к а |
л и т е р а т у р ы |
и з д - в а |
« В ы с ш а я |
ш к о л а > |
( д л я |
п р о ф т е х о б р а з о в а н и я ) |
на |
1973 г. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
П о з и ц и я № |
48. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
М о с к в а , |
К - 51, Н е г л и н н а я |
у л . , |
д . 29/14, |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
и з д а т е л ь с т в о « В ы с ш а я ш к о л а » |
|
|
|
|
||||||||
Т и п о г р а ф и я |
и з д - в а « У р а л ь с к и й |
р а б о ч и й » , |
г. С в е р д л о в с к , |
пр . Л е н и н а , |
49. З а к а з |
№ |
305. |
ВВЕДЕНИЕ
ВДирективах XXIV съезда КПСС большое внимание уделено дальнейшему развитию и совершенствованию электронной техники.
Впоследнее десятилетие в СССР и за рубежом в различных областях науки и техники широкое распространение получили по лупроводниковые приборы, использование которых необходимо для дальнейшего прогресса радиоэлектроники, радиотехники и автома тики. Полупроводниковые приборы по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: имеют малый вес и габа риты, надежны в работе, потребляют незначительное количество энергии и др.
Рост производства, улучшение качества и повышение надежно сти полупроводниковых лриборов зависят от методов их изготовле ния, из которых наиболее перспективными являются планарная и эпитаксиально-планарная технология. Планарная и эпитаксиальная технология состоит из комплекса разнообразных механических химических, фотолитографических, термических и других процес сов, позволяющих создавать .на поверхности и в объеме полупро водникового кристалла уникальные р—n-переходы и омические контакты.
Каждый технологический процесс в общем цикле изготовления различных типов приборов тесно связан с предыдущим и оказывает влияние «а последующие процессы. Например, качество полировки пластин полупроводниковых материалов зависит от предваритель ных операций грубой и тонкой шлифовки пластин, а плоскопараллельность пластин после полировки оказывает влияние на качество последующего процесса — фотолитографии: прогиб поверхности пластин приводит к неравномерному прижатию фотошаблона и увеличению брака при экспонировании.
»
Важным технологическим процессом производства полупровод никовых приборов и интегральных схем является фотолитография: нанесение на поверхность полупроводниковой пластины кислото стойкого светочувствительного состава (фоторезиста) и получение заданного рисунка будущих активных или пассивных элементов. К этому процессу предъявляют высокие требования, так как каче ство полученного на поверхности полупроводниковой пластины рисунка во многом определяет процент выхода годных приборов на последующих операциях получения р—/г-переходов. Таким обра зом, процесс фотолитографии связан со всеми последующими тех нологическими операциями получения р—«--переходов и омических контактов.
В полупроводниковом производстве для |
создания |
р—/г-перехо |
|||
дов наибольшее распространение получили процессы |
диффузии и |
||||
эпитак-сии, которые |
используют |
как раздельно, так и в |
сочетании |
||
друг с другом. Для |
проведения |
процессов |
диффузии |
и |
эпитаксии |
используются различные диффузанты и химические смеси, которые позволяют создавать сложные многослойные структуры. Качество полученных структур зависит от режима технологического процес са и чистоты исходных материалов.
Для повышения надежности полупроводниковых приборов и стабильности их электрических параметров необходимо защищать полученные р—/г-переходы от .внешних воздействий. Ранее приме нявшийся метод защиты лакированием не позволял получать на дежную защиту р—/г-переходов от окружающей среды. Защитная окисная пленка, получаемая на поверхности кристаллов с р—«-пе реходами, изготовленными по пленарной технологии, не всегда успешно предохраняет их от внешних воздействий. Для повышения стабильности электрических параметров приборов используют но
вые методы защиты р—re-переходов |
пленками |
нитрида |
кремния и |
||
стекла. |
|
|
|
|
|
Большую роль |
в общем технологическом |
цикле |
изготовления |
||
полупроводниковых |
приборов играют процессы |
сборки и гермети |
|||
зации кристаллов с р—/г-переходами. |
В связи |
с |
этим |
в учебнике |
|
рассматриваются новые прогрессивные методы сборки |
кристаллов |
||||
с р—/г-переходами |
на металлической ленте с одновременной их гер |
метизацией пластмассой. Этот метод сборки и герметизации полу проводниковых диодов, транзисторов и интегральных схем отлича ется высокой производительностью и может быть полностью авто матизирован.
Необходимо отметить также, что наметившаяся в полупровод-
никовой промышленности тенденция к микроминиатюризации ап паратуры вызвала необходимость перехода от изготовления дис кретных (отдельных) приборов к производству интегральных схем различного назначения. Дискретные полупроводниковые приборы занимают промежуточное положение между электронными лампа ми и интегральными схемами.
Первым шагом на пути -микроминиатюризации аппаратуры было -использование миниатюрных элементов и печатного монтажа. Пе чатные схемы позволили довести плотность монтажа до 1000—1500 деталей в 1 дм3 по сравнению с плотностью монтажа около 300 де талей в 1 дм3 в аппаратуре на дискретных приборах. Однако даже при наиболее тщательной разработке конструкций с миниатюрны ми элементами полезное использование объема не превышало 30%.
Этапами развития микроминиатюризации явилась разработка модульного и микромодульного методов монтажа аппаратуры, при которых в качестве основного элемента конструкций служит ячей ка-модуль или микромодуль, стандартный по размерам, способам сборки и монтажа. Наиболее широкое распространение получили плоские и объемные модули и микромодули. Переход от печатного монтажа к микромодульным схемам позволил уменьшить объем аппаратуры в 10 раз. Плотность монтажа при микромодульном спо собе составляет около 3500 элементов в 1 дм3. Основные преиму щества микромодульных конструкций: стандартная геометрия и возможность автоматизации процессов сборки аппаратуры.
Примерно к 1965 г. относится зарождение нового перспективно го направления в микроминиатюризации—создание полупровод никовых интегральных схем. Если предыдущие методы были на правлены на уменьшение массы, габаритов и потребления мощности, то переход к интегральной микроэлектронике позволяет повысить надежность, снизить стоимость и автоматизировать производство отдельных схем и аппаратуры в целом, а также улучшить эксплуа тационные характеристики аппаратуры.
Качество готовых полупроводниковых приборов и интегральных схем и их надежность в значительной степени зависят от совершен ства выполнения того или иного технологического процесса и мастерства рабочего. Поэтому возрастает потребность в высоко квалифицированных рабочих кадрах, занятых в полупроводнико вом производстве.
В связи с внедрением в производство новой техники и техноло гии, к рабочим, занятым изготовлением полупроводниковых прибо ров, предъявляются повышенные требования в отношении их тех-
нической грамотности и культуры производства. Необходимо обу чить будущих рабочих передовым методам проведения технологи ческих процессов производства полупроводниковых приборов и на учить их применять новые методы работы на практике.
Главы 1, 2, 3, 6, 8, §§ 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 и 32 гл. 4 и §§ 78, 79, 80, 81, 82 и 83 гл. 12 написаны В. А. Бруком, В. В. Гаршениным и А. И. Курносовым совместно; введение, главы 5,7,9,10,11, 13, § 17 гл. 2, §§ 33 и 34 гл. 4 и §§ 84, 85, 86 гл. 12 написаны А. И. Кур носовым.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСНОВЫ |
ФИЗИКИ |
|
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ |
|
|
МАТЕРИАЛОВ |
|
|
|
|
|
§ 1. СТРОЕНИЕ |
КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ |
ВЕЩЕСТВ |
|
||
Большинство |
твердых |
веществ |
имеет кристаллическую |
струк |
|
туру. |
|
|
|
|
|
Что же такое кристалл? |
|
|
|||
Кристалл |
— это вещество с упорядоченной структурой. |
Атомы |
|||
или молекулы кристалла |
расположены в строго закономерном по |
рядке и образуют в пространстве кристаллическую решетку. Атом ная кристаллическая решетка характеризуется тем, что в ее узлах расположены отдельные атомы, которые соединены так называемы
ми ковалентними связями, т. |
е. у каждых двух |
соседних атомов |
имеются два общих электрона. |
Твердые вещества |
с атомной кри |
сталлической решеткой обычно отличаются высокой температурой плавления и большой твердостью, так как ковалентные связи весь ма прочно соединяют атомы между собой.
Примерами кристаллических веществ могут служить германий и кремний — основные материалы, применяемые в полупроводнико вых приборах. Кремний и германий принадлежат к четвертой груп пе периодической системы элементов Менделеева и имеют, следова тельно, по четыре валентных электрона, поэтому в кристалле гер мания и кремния каждый атом связан с четырьмя ближайшими атомами. Каждые два атома связаны между собой двумя общими для них валентными электронами.
Рассмотрим, как будет выглядеть кристаллическая решетка германия (кремния) в пространственном изображении (рис. 1).
Рис. 1. -Пространственное |
изображение |
Рис. 2. Схема ковалентных свя- |
||
кристаллической |
решетки |
германия |
зеи в кристалле |
германия |
|
(кремния) |
|
(кремния) |
|
На рисунке показана так называемая элементарная ячейка герма ния (кремния). Любой правильный кристалл одного из этих элемен тов состоит из бесконечно повторяющихся во все стороны элемен тарных ячеек, которые и образуют кристаллическую решетку. Такую решетку называют кристаллической решеткой типа алмаза. Алмаз ную решетку имеют почти все полупроводниковые материалы. Кристаллы с алмазной решеткой обладают анизотропией — неод нородностью свойств в различных направлениях.
Рис. 3. Условные обозначения ориентации кристаллографиче ских плоскостей:
а — п л о с к о с т ь , п а р а л л е л ь н а я п л о с к о с т и yz, |
б — п л о с к о с т ь , п а р а л л е л ь н а я |
||||||||
оси z, в |
— п л о с к о с т ь |
с |
н а и б о л е е |
п л о т н о й |
у п а к о в к о й а т о м о в а |
р е ш е т к е |
|||
г е р м а н и я |
( к р е м н и я ) , |
г — п л о с к о с т ь , |
п а р а л л е л ь н а я |
плоскости |
ху, |
д — |
|||
|
п л о с к о с т ь , п а р а л л е л ь н а я п л о с к о с т и xz |
|
|
||||||
Для наглядности решетку германия (кремния) принято изобра |
|||||||||
жать в виде |
плоской |
|
сетки, |
в |
которой |
каждый |
атом связан |
||
с четырьмя ближайшими |
атомами |
той же |
химической |
природы, |
|||||
как показано на рис. 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для характеристики кристаллографического строения материа |
|||||||||
лов пользуются так называемыми |
индексами |
Миллера, |
определяю |
щими положение кристаллографических плоскостей (или кристал лографических осей, перпендикулярных соответствующим плоско стям). Индексы Миллера для кубических кристаллов представляют собой три цифры, относящиеся к прямоугольной системе координат
(х; у; г), центр которой |
совмещен с одним из узлов решетки* |
|
(рис.3). |
|
|
Так, например, кристаллографическая плоскость (100) |
будет |
|
проходить через точку х=1, |
у=0, 2 = 0 и будет параллельна |
осям у |
* Единицей масштаба в данном случае является расстояние между соседни ми атомами элементарной ячейки — постоянная решетки кристалла.
и z (рис. 3, а). |
Цифра 0 в индексах Миллера означает, что кристал |
|||||||
лографическая |
плоскость |
параллельна оси. |
|
|
||||
На рис. З, б плоскость |
(ПО) |
проходит |
через точку х= \ и |
у=\ |
||||
и параллельно |
оси z, а плоскость |
(111) на |
рис. З, в проходит через |
|||||
точки х = 1, у= |
1 и z = 1. Кристаллографические оси их будут перпен |
|||||||
дикулярны соответствующим |
плоскостям. |
На рис. 3, г плоскость |
||||||
(001) |
проходит через точку |
z = l |
и параллельные |
осям х и у. |
На |
|||
рис. З, д плоскость (010) |
проходит через точку у—1 |
и параллельна |
||||||
•осям х и у. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
промышленности при производстве |
полупроводниковых |
при |
боров наиболее часто используют монокристаллы германия и крем ния, выращенные по кристаллографической оси, перпендикулярной
плоскости |
(111), |
так как эта плоскость соответствует наиболее плот |
|
ной упаковке атомов и при создании полупроводниковых |
приборов |
||
наилучшие и воспроизводимые электрические параметры |
получают |
||
при использовании именно такой ориентации. |
|
||
§ 2. СТРОЕНИЕ |
АТОМА |
|
|
В 1911 |
г. английским физиком Резерфордом была |
предложе |
на модель атома. По Резерфорду атом построен следующим
•образом: вокруг положительно |
заряженного |
ядра |
вращаются |
от |
|||||
рицательно |
заряженные |
электроны. |
Каждый электрон |
представ |
|||||
ляет собой |
единицу отрицательного |
электрического |
заряда. В це |
||||||
лом атом должен быть электронейтрален, т. е. ядро должно |
иметь |
||||||||
положительный заряд, |
равный |
количеству |
вращающихся |
вокруг |
|||||
него электронов. Эта модель была |
названа |
планетарной, |
так |
как |
|||||
она как бы повторяла строение солнечной системы. |
|
|
|
|
Резерфордом, кроме того, было установлено, что основная мас са атома сосредоточена в его ядре.
Законы движения электронов вокруг ядра были в 1913 г. объ яснены датским физиком Нильсом Бором. Его теория была по строена на трех основных постулатах:
1)электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орби там, а только по орбитам, имеющим определенный радиус; эти ор биты называются стационарными (или разрешенными, дозволен ными) ;
2)электрон,, движущийся по любой из стационарных орбит, не излучает энергии;
3)переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на орбиту, расположенную ближе к ядру, сопровождается соответст вующей потерей энергии. При поглощении энергии атомом элек трон с ближней орбиты переходит на более удаленную.
Положению электрона на каждой из возможных орбит соответ ствует определенный запас энергии атома, который складывается из кинетической энергии движущегося по орбите электрона и по тенциальной энергии притяжения электрона к ядру. Сумма кинети ческой и потенциальной энергий электрона определяет полную энергию электрона в атоме. Энергия электрона тем больше, чем