Московский институт стали и сплавов

( технологический университет)

кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников

Домашнее задание

Тема: Оборудование для ориентации полупроводниковых пластин .

Выполнил: студент группы К3-01-2 Гашников Г.Э.

Руководитель: доцент Курносов А.И.

Москва 2003 год

Введение

Производство полупроводниковых приборов использует самые малые размеры деталей приборов и их высокую точность. Следовательно, для массового производства полупроводниковых приборов необходимо специальное оборудование. Если в период становления полупроводникового производства могло быть использовано оборудование родственных производств (в основном электровакуумного), то в настоящее время появилась относительно новая отрасль – полупроводниковое машиностроение.

Полупроводниковое машиностроение отличается спецификой конструкций, способствующих поддержанию производственной гигиены, прецизионной точностью и большим разнообразием (полупроводниковая техника использует ряд процессов из других областей техники), высоким уровнем механизации и автоматизации, а также значительным насыщением оборудования электронными устройствами. Весь комплекс технологического оборудования, предназначенный для производства полупроводниковых приборов, можно разделить на десять основных групп: оборудование для входного контроля исходных материалов, обработки полупроводников, создания электронно-дырочных переходов и получения невыпрямляющих контактов, изготовление корпусов, сборки приборов, измерения из параметров, испытания и выполнения заключительных операций, а также вспомогательное оборудование для получения чистых газов, воды, химических реактивов и изготовления фотошаблонов.

Итак, высокая точность, малые размеры и массовость производства полупроводниковых приборов привели к механизации и автоматизации наиболее трудоёмких процессов и созданию высокопроизводительных полуавтоматических и автоматических установок и агрегатов.

Используемые материалы при работе на оборудовании для ориентации полупроводниковых пластин. Область использования и общая характеристика оборудования для ориентации полупроводниковых пластин.

Основными полупроводниковыми материалами, применяемыми для изготовления полупроводниковых приборов, являются германий и кремний. Эти материалы имеют кристаллическую структуру, но для изготовления полупроводниковых приборов используют монокристаллы германия и кремния, т.е. полупроводники с правильной кристаллической структурой, превращенные в единый кристалл. Для характеристики внутренней структуры кристал­лов обычно пользуются понятием кристаллическая решетка, которая представляет собой пространственную сетку; в узлах ее располагаются частицы (атомы, ионы или молекулы), образующие кристалл. Формы кристал­лических решеток разнообразны Монокристаллы германия и кремния – вещества анизотропные, т.е. их свойства в различных направлениях неодинаковы и зависят от ориентирования относительно кристаллографических плоскостей, обозначаемых индексами Миллера, например (100), (110), (111). Погрешности при выращивании слитков приводят к тому, что торцы слитков не всегда перпендикулярны к их оси (т. е. заданному кристаллографическому направлению), поэтому перед резкой на пластины следует вы­полнить ориентацию слитка: выявить расположение ос­новных кристаллографических плоскостей. Кроме того, иногда необходимо проверить ориентацию плоскостей пластин после резки, шлифовки или полировки. Монокристаллы германия и кремния имеют кристаллическую решетку типа ал­маза, которую можно представить, как две вставленные друг в друга кубические решетки, имеющие в узлах иден­тичные атомы. Арсенид галлия имеет решетку цинковой обманки, которая отличается от решетки алмазатем, что в ее узлах атомы мышьяка чередуются с атомами галлия. Таким образом, решетки этих полупроводниковых мате­риалов относятся к кубической кристаллической системе. Монокристаллические вещества обладают анизотро­пией свойств, т. е. зависимостью физических свойств (модуля упругости, коэффициента теплопроводности, показателя преломления и др.) от направления, вдоль которого их измеряют. Присущая кристаллам анизотро­пия требует измерения физико-механических свойств в определенных кристаллографических плоскостях и на­правлениях. В соответствии с индексами Миллера обозначения плоскостей записывают в круглых скобках. Три главные плоскости в кубическом кристалле будут иметь обозначе­ния (100),(110) и (111)(рис. 1 — заштрихованные плос­кости). Вследствие симметричности в кубическом кри­сталле имеются семейства эквивалентных плоскостей, которые обозначают индексами, заключенными в фигур­ные скобки. Например, три граникуба (001),(010) и (100) можно обозначить {100}. Направления в кристалле обозначают индексами, заключенными в квадратные скобки, например [111]. Совокупность эквивалентных на­правлений обозначают ломаными скобками, например <110>, <111> и т. д. (на рис. 1 не показаны). В куби­ческой системе одноименные направления и плоскости перпендикулярны. Каждая плоскость содержит определенное количество атомов, плотность упаковки которых влияет на отдель­ные свойства приборов. В зависимости от назначения для полупроводниковых приборов используются подлож­ки, ориентированные в различных кристаллографичес­ких плоскостях. Обычно слитки полупроводниковых ма­териалов выращивают так, что их ось совпадает с на­правлением [111]. Как видно из рис. 2, из слитка с такой ориентацией можно вырезать пластину, имеющую любую плоскость ориентации. Пластины, ориентированные в плоскости (111),имеют почти правильную круглую фор­му (рис. 2, а). Рассматривая взаимное расположение плоскостей в кристалле (см. рис. 1), нетрудно подсчи­тать, что одна из плоскостей {110} будет перпендику­лярна плоскости (111), а другая будет расположена к ней под углом около 35°, поэтому пластины с ориентаци­ей {110},вырезанные из слитка, выращенного в направ­лении [111], имеют форму прямоугольника или эллипса (рис. 2,6). Плоскости {100} располагаются по отноше­нию к плоскости (111)под углом около 55°, и пластины с ориентацией (100) также имеют эллипсообразную фор­му (рис. 2, в).

Методы ориентации полупроводниковых пластин

Поиск заданной кристаллографической плоскости, определение угла разориентации поверхности торца слитка относительно неё и выведение поверхности отрезаемых от слитка пластин в заданную плоскость с точностью, как правило, не более 1° (для некоторых типов приборов 30¢) производится на специальном оборудовании оптическим или рентгеновским методами, а также для некоторых случаев будут рассмотрены ещё два метода: метод изломов и метод Лауэ.

Оптический метод ориента ции является наиболее простым, не требует дорогостоящего, сложного оборудования. Он заключается в следующем. При травлении монокристалла вследствие неодинаковой ско­рости растворения полупроводникового материала по различным кристаллографическим направлениям образуются фигу­ры травления, которые имеют вид углублений с правильными гранями. Поэтому отраженный от образца слабо расходящийся пучок света образует на экране световую фигуру, по положению которой можно оценить ве­личину отклонения кристалло­графической плоскости от плоскости торца слитка, при этом отражающая плоскость всегда совпадает с кристаллографической плоскостью (111). Отклонение реальной поверхности торца слитка от кристаллографической плоскости (111) приводит к отклонению отраженного луча на экране на некоторое расстояние d (рис. 3,а) характеризующееся некоторым углом a реальной поверхности шлифа от плоскости (111).

Типичной световой фигурой для слитка, выращенного в направлении [111], является трех лепестковая, а для слитка [100] – четырех лепестковая звезда (рис. 3, б). Перед началом ориентации выводят световое пятно в центр экрана в место пересечения вертикальной и горизонталь­ной осей. Для этого вместо слитка ставят эталон, который имеет зеркальную полирован­ную поверхность. Затем уста­навливают слиток. Если торец слитка совпадает с кристалло­графической плоскостью, на­пример с плоскостью (111),то световое пятно будет находить­ся на экране в месте пересечения. Поворотом слитка вручную вокруг оси устанавливают световую фигуру так, чтобы её лепестки-лучики занимали симметричное положение относительно вертикальной оси. В этом положении слиток закрепляется прижимным винтом кристаллодержателя.

До процесса ориентации вы­являют микроструктуру слит­ка. Это осуществляют путем травления шлифованного тор­ца Ge (или Si) слитка селек­тивными травителями, состав, которых приведен в табл.1. Точность ориентации этим методом зависит от состава травителя и режима травления; от диаметра, расходимости и яркости светового пучка и других факторов.

Установка ориентировки слитков световым методом настольного типа ЖК 78.08 представлена на рис.4. В светозащитном корпусе 8 смонтированы все узлы и детали установки: оптическая система, состоящая из осветителя 1, отделённого плитой 6, конденсатора 2, диаграммы 3, отражающих зеркал 4, 5, 10, объектива 7 с зубчатыми парами 9 и 11 для установки фокуса и размера диаграммы соответственно; кристаллодержатель 12, служащий для установки и крепления слитка или эталона, по­мещается на верхнюю плиту до упоров и прижимается зажимом, стол кристаллодержателя, имеющий деталь с базировочной плос­костью, с помощью цангового зажима соединен с угломерной голов­кой 20, которая обеспечивает поворот стола с ориентируемым слитком на необходимый угол; подвижная плита 18, движущаяся в шариковых направляющих; фиксатор подвижной плиты 19; угломерная головка 20, предназначена для изме­рения углов поворота ориентируемого слитка с точностью до 1¢, кон­струкция ее представляет собой червячную пару с выбором люфта за счет упругой системы (более подробная конструкция угломерной головки приведена ниже на рис.5); отражающие зеркала 10 и 13; экран 15, состоящий из рамы, матового стекла, листа органического стекла с нанесенной на нем шкалой и двух электролампочек, подсвечивающих стекло со шкалой с торцов; электрический блок 22. Ось экрана проходит через ползун 14, который вместе с экраном может перемещаться в направлении оптической оси. Перемещение экрана в этом направлении возможно на 36мм и осуществляется от ручки управления при помощи гибкого вала и ходового винта механизма подъёма 17. Экран, кроме того, может поворачиваться вокруг собственной оси с фиксированием положения цанговым зажимом. Зеркало 16 позволяет визуально наблюдать световую фигуру отражения, получаемую на экране. При помощи рукоятки 21 зеркало устанавливается в положение, удобное для наблюдения.

Техническая характеристика установки ЖК 78.08:

Размеры слитков, мм:

максимальный диаметр ............... 60

длина ............................................... 80

Минимальный размер пластин (кристаллов),

мм .................................................... 1,5х1,5

Точность ориентации:

кремния ........................................... ±3´

германия ......................................... ±15´

Цена деления шкалы экрана:

для кремния ................................... 3´

для германия ................................. 15´

угломерной головки .................... 1´

Источник света (лампа накаливания),

Вт .................................................... 30

Применяемая энергетика (сеть переменного тока):

напряжение, В .............................. 220

частота, Гц ................................... 50

Габаритные размеры, мм .......... 575х288х550

Масса, кг ...................................... 35

Угломерная головка (рис. 5) состоит из червячного редуктора, у которого на червяке 8 имеется ручка 12 с указателем 4, а на червячном колесе 7 – лимб 5. Указатель на ручке, закрепленной на червяке, указывает угол поворота образца (угол отклонения кристаллографической плоскости) по шкале 11, закрепленной на подвижном диске 10. Лимб, посаженный на вал червячного колеса, можно вращать независимо от вращения червячного колеса или совместно с червячным колесом, если застопорить лимб специальным винтом 6, ввернутым в торец вала.

Вал червячного колеса с конца, противоположного лимбу, имеет цангу, которая с гайкой 2 образует цанговый зажим, приводимый в действие ручкой 3. Цанговый зажим предназначен для жесткого соединения вала детали, имеющей безировочную плоскость, с угломерной головкой. Для подсветки шкалы и лимба имеются две электрические лампочки 9. Шкала предназначена для отсчета углов отклонения кристаллографических плоскостей, не превышающих двух градусов, а лимб – свыше двух градусов. Крепится угломерная головка к подвижной плите кронштейном 1.

Оптическая система установки (рис. 6) состоит из источника света, конденсатора, зеркал, объектива, диаграммы и экрана. Луч света в оптической системе проходит от источника света 1 (лампа накаливания СЦ-68 8 В, 30 Вт) через конденсор 2 (представляющего собой систему

двух линз), сменную диафрагму 3 (величина которой сту­пенчато регулируется) на зеркало 4. Отразившись от зеркала 4, луч света проходит через объектив 5 (типа «Юпитер 11» с фокусным расстоянием 135 мм), а затем, последовательно отразившись от зеркал 6 и 7 и образца 8 попадает на матовый экран 9. Изображение световой фигуры, ко­торое образуется на матовомэкране,рассматриваютчерез смотро­вое окно с помощью зеркала 11.Зеркала6 и 10 укреплены на по­движной плите.

На рис. 6 показаноположение зеркал6 и 10, когда подвижная плита находится в крайнемпереднем положении. При таком поло­жении подвижной плитыпользуются зеркалом 6; расстояние от образца до экранапо ходу луча равно114,5 мм.Одно деление шка­лы экранав этом случаесоответствует отклонению кристаллогра­фической плоскости на 15´. При крайнем заднем положении под­вижной плиты место зеркала 6 занимает образец, а место образ­ца— зеркало 10. Расстояние от образца до экрана по ходу луча при этом равно572 мм, а одно деление шкалы экранасоответству­ет отклонению кристаллографической плоскости на 3´. То есть цена деления экрана для германиевых образцов (подвижная плита на­ходится в крайнем переднем положении) равна 15´, а цена деления шкалы экрана для кремниевых образцов (подвижная плита нахо­дится в крайнем заднем положении) равна 3´.

Элементы оптической системы установки можно регулировать. Лампа накаливания, являющаяся источником луча света, установленана подвижной кареткеи может передвигаться по направляю­щим,занимаяинициальноеположение относительно конденсора. Крометого, изменяяположение лампы, можно регулировать направленностьсветовоголуча. Положение конденсора относительно лампы и диафрагмытакже можно регулировать. Нижнее зеркало 4 и верхнее зеркало 7 можно поворачивать вокруг осей, устанавливая требуемое положение соответствующими ручками и фиксируя это цанговыми зажимами. Фотообъектив закреплен в специальной подставке. Устанавливают диафрагму объектива и фокусируют его, вращая ручки, которые зубчатыми парами поворачивают соответствующие детали объектива.

Экран 9 состоит из жесткой рамки, поворачивающейся на оси, матового стеклаи органического стекла, на которое нанесена шкала. Для созданияхорошей видимости шкала подсвечивается двумя электрическимилампочками. Экран закреплен на оси в подвижной каретке; ручкой каретку, а, следовательно, и экран можно перемещать по шариковым опорам в направлениихода светового луча. Перемещается экран механизмом подъема, в котором имеется самотормозящая червячная пара,сохраняющаяустановленное положениеэкрана. Фокусируют экранприповороте, вращаяручку, воздействующую на цанговый зажим.

Зеркало 11 может быть установлено в удобное для наблюдения положениевращениемручки и зафиксированоцанговымзажимом. В электрический блок, расположенный в передней стенке корпуса установки, входят понижающийтрансформатор, лампыи потенциометрыдля регулированияподаваемого напряжения,а также тумблер,сигнальная лампаи плата,к которой подводится питание от сети.

Приналадкеустановки необходимо привести световой луч в центр шкалыэкрана,т. е. в перекрестие вертикальной и горизонтальной осей шкалы экрана.Включив тумблером установку, начинают наладкус вывода светового луча на вертикальную ось шкалы экрана, устанавливаясоответствующую диафрагму, фокусируя луч на плоскость диафрагмы,направляя луч лампы по центру конденсора и перемещая лампу накаливания. Закончив вывод светового лучана вертикальную ось шкалы экрана, выполняют регулировки, связанные с выводом луча на горизонтальную ось шкалы экрана. Для чего регулируют положение отражающих поверхностей оптической системы с последующим их фиксированием. При этом наблюдают за положением светового пятна на экране установки.

При крайнем заднем положении подвижной плиты на базировочную плоскость кладут лист тонкой бумаги так, чтобы нанесенный на неё карандашом отрезок прямой совпадал с риской на базировочной поверхности. Поворотом зеркала наблюдения выводят световое пятно симметричносовмещенных риски и отрезка прямой с ручкой 21 (см. рис. 4), закрепляют положение зеркала отражения. При крайнемпереднем положении подвижной плиты производят наладкуверхнегозеркала ручкой 15так, чтобы совместить световое пятно с горизонтальной осью экрана. Выполнив совмещение, за­крепляют положение зеркала.

При наладке пользуются входящим в комплект установкиэта­лоном (далее см. рис. 4), который должен иметь зеркальную поверхность и устанав­ливаться в пазкристаллодержателя. Базировочную поверхность детали устанавливаютпо эталону в горизонтальномположении, её вал цанговым зажимом соединяют с угломерной головкой. Экран ручкой 14устанавливаютперпендикулярно ходу луча(перпендику­лярно направлениюперемещения экрана по пазув корпусе)и фик­сируют в этом положении зажимом, управляемым ручкой 17. Руч­кой 21регулируют освещение шкалы экрана.

Яркость светового луча регулируют, вращая ручку 9 , фоку­сируя диафрагму объектива, а ручкой 11 изменяют диа­фрагму от 2 до 0,2 мм. На этом наладкуустановки заканчивают.

Приориентированиимонокристалловгерманииподвижную пли­ту ставят в крайнее переднее положение, а приориентировании мо­нокристаллов кремния — в крайнее заднее положение.

Слитки германия и кремния устанавливают в специальные смен­ные зажимные устройства, которые закрепляют в пазу кристаллодержателя. В одно зажимное устройство вставляют слиток полу­проводникаи легко его прижимают. Световую фигуру на верти­кальную ось шкалыэкранавыводят поворотом легко прижатого рукой слиткавокругоси.Затем слитококончательнозакрепляют, прижимаяк базировочной плоскости. Световую фигуру в перекрес­тие осей шкалы экрана выводят, вращая ручки угломерной головки. Указатель, закрепленный на ручке, показывает на шкале (лимбе) отклонение кристаллографической плоскости слитка от его геомет­рической плоскости. Определив отклонение, зажимное устройство освобождают от связей с угломерной головкой, слиток вынимают из паза кристаллодержателя и приклеивают к столику зажимного устройства.

При ориентировании слитков германия и кремния без приклей­ки наносят риски на торец слитка. Процесс ориентирования не от­личается от описанного, но только нет необходимости пользоваться смен­ными зажимными устройствами. Окончательнойоперациейпроцесса ориентирования является нанесениекарандашомчерез паз базировочной детали на торце слитка стрелки, указывающей, в ка­ком направлении надо повернуть слиток при ориентированной резке, чтобы получить искомое положение кристаллографической плоскости. Угол отклонения кристаллографической плоскости отсчитывают по шкале во время ориентирования.

Рентгеновский метод . В технологии производства полупроводниковых при­боров рентгеновские методы применяются в первую оче­редь для ориентировки монокристаллов — германия, кремния, арсенида галлия, сапфира и др., а также для анализа дефектов указанных материалов и полупровод­никовых структур. В меньшей степени используется фа­зовый анализ металлов и сплавов, флуоресцентная спектрометрия, просвечивание материалов и полупро­водниковых структур или приборов, а также методы рентгеновского микроанализа. Характеристика основных рентгеновских методов приведена в табл. 2

Принцип метода основан на отражении монохроматических рентгеновских лучей от системы кристаллографических плоскостей {h, k, l}, в результате рассеяния электромагнитных волн атомами кристаллической решетки. Отражение происходит при углах θ, удовлетворяющих условию Вульфа-Брегга

2dh,k,lsinθ = nλ ,

где dh,k,l – межплоскостное расстояние; λ – длина волны, n – порядок отражения.

Зная dh,k,lрассчитывают значение угла θ для соответствующей системы плоскостей. При этом учитывают, что вследствие особенностей структуры типа алмаза для некоторых плоскостей отражение низких порядков (n = 1, 2 и т.д.) могут гаситься. Значение углов θ для ряда материалов, наиболее широко применяющихся при разработках и производстве приборов, приведены в таблице 3 (обычно используют излучение меди – линия CuKα, где λ = 1,539 ангстрем).

Для ориентации рентгеновским способом используют установки УРС-50И, УРС-60, УРС-70К1. Универсальная установка УРС-50И с приставкой ЖК 78.04 предназначена для определения ориентации в кристалло­графической плоскости (111).Максимальный угол отклонения кристаллографической плоскости (111)от торца слитка Si, который можно определить на данной установке, составляет 14°, а для слит­ков Ge — 13°. Точность


29-04-2015, 04:06