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 алмаза тем, 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 грани куба (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 , 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 ориентации 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 ( 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 ........................................... ±3ґ германия ......................................... ±15ґ
Цена деления шкалы экрана: для кремния ................................... 3ґ для германия ................................. 15ґ угломерной головки .................... 1ґ
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