Полупроводники как сделать производство
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 19.09.2024
При изготовлении большинства полупроводниковых приборов применяют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокристаллах выше, чем в поликристаллическом материале, который к тому же обладает и значительной неоднородностью свойств.
Процент выхода годных полупроводниковых приборов, их характеристики зависят от степени очистки, однородности исходного материала, степени его легирования и др. Наиболее жесткие требования к полупроводниковым материалам предъявляют при производстве транзисторов и интегральных схем. В таких приборах, как фото- и терморезисторы, допускается использование поликристаллических аморфных веществ.
Основными методами получения монокристаллов полупроводников являются: выращивание из расплава, метод зонной перекристаллизации и выращивание из газообразной фазы. В ряде случаев применяют метод выращивания из раствора и другие методы.
Метод выращивания монокристаллов из расплава (метод Чохральского), как правило, обеспечивает высокие скорости выращивания и получение больших по размеру кристаллов. Сущность метода заключается в том, что в тигель с расплавленным материалом 9 опускают монокристаллическую затравку 7 (рис.3.27). После оплавления затравки, которое обеспечивает хорошее ее смачивание расплавом, затравку медленно поднимают. Жидкость, тянущаяся за затравкой, попадая в область более низких температур, затвердевает, продолжая кристаллическую структуру затравки.
При вытягивании кристалла затравку или тигель вращают, чтобы не происходил преимущественный рост кристалла в какую-либо сторону из-за возможной боковой разности температур. Кроме того, вращение кристалла относительно тигля производит размешивание расплава в тигле.
При выращивании из расплава монокристаллов полупроводниковых соединений пользуются методом Бриджмена-Стокбаргера. Нагреватель в этой установке устроен таким образом, что по его длине создается определенный градиент температуры (рис. 3.28).
При выращивании кристаллов разлагающихся соединений тигель с веществом помещают в запаянную ампулу, в которой поддерживается необходимое давление паров летучего компонента. В положении 1 содержимое тигля расплавлено. По мере дви
жения тигля вдоль печи в область более низких температур происходит постепенное охлаждение расплава и направленная его кристаллизация.
Метод зонной перекристаллизации (плавки) для получения монокристаллов состоит в том, что плавление поликристаллического слитка, помещенного в тигель, осуществляется с помощью нагревателя, создающего короткую зону, температура которой выше, чем температура плавления вещества.
Схема установки приведена на рис. 3.29. Если на одном конце слитка поместить монокристалическую затравку и перемещать нагреватель от этого конца к другому, то остальная часть слитка, последовательно расплавляясь в зоне и затем кристаллизуясь, будет продолжать структуру затравки.
Метод зонной плавки широко применяют прежде всего как один из эффективных методов очистки полупроводниковых материалов от примесей. Очистка полупроводников этим методом основана на том, что примеси неодинаково растворимы в твердой и жидкой фазе основного вещества. Наиболее распространен случай, когда растворимость примеси в жидкой фазе больше, чем в твердой. Тогда расплавленная зона при движении будет захватывать примесь и переносить ее в конец слитка. Этот процесс движения зоны (в том же направлении) можно повторять несколько раз, сгоняя примесь в конец слитка. Подобный результат может быть достигнут, если создать сразу несколько зон. Каждая из них на своем пути захватит определенное количество примеси и перенесет ее в конец слитка, который затем обрезается.
Обычно в качестве материала тигля используют плавленый кварц, графит, тугоплавкие оксиды алюминия или магния. Однако для таких реакционноспособных полупроводников, как кремний, зонная перекристаллизация оказалась эффективной лишь при бестигельной зонной плавке, которая в настоящее время осуществляется несколькими способами. Наиболее распространенным является метод плавающей зоны, который состоит в том, что расплавленная зона удерживается силами собственного поверхностного натяжения между двумя вертикальными твердыми заготовками, расположенными строго по одной линии (возможна поддержка индуцированным током и др.).
Из газообразной фазы выращивают главным образом монокристаллы полупроводниковых соединений. Существует несколько таких способов.
Для выращивания монокристаллов бинарных полупроводниковых соединений из газовой фазы используется метод взаимодействия исходных компонентов (рис. 3.30). Выращивание монокристалла производится в потоке нейтрального газа или водорода. При этом применяют трехсекционную печь, причем две крайние секции используют для испарения компонентов. Средняя печь предназначена для поддержания необходимой температуры в реакторе, где происходит смешивание паров компонентов и их реакция. Температура в реакторе ниже, чем температура плавления образующегося соединения. Это вызывает конденса
цию соединения на стенках реактора в виде кристаллов.
Другим распространенным способом выращивания из газовой фазы является метод сублимации (рис. 3.31). В тигель помещают исходный материал, который затем испаряется. Пары вещества переносятся в зону роста кристаллов (зона 3) транспортирующим газом.
Качество и состав кристаллов, выращенных из газообразной фазы указанными методами, зависят от выбора температурных режимов испарителей и реактора.
Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
Технология – наука, занимающаяся изучением закономерностей, действующих в процессе производства для обеспечения минимальной себестоимости и требуемого качества изделия.
Полупроводниковые приборы широко распространены. Это определяется их преимуществами перед электронными приборами обычного типа. Например, диоды имеют такие преимущества перед трехэлектродными лампами, как малые габариты и вес, это повышает механическую прочность и увеличивает срок службы; потребляется незначительная мощность; малая инерционность и простота конструкции обеспечивают высокую надежность.
Различают ионные и электронные полупроводниковые материалы. В ионных полупроводниках ток создается перемещением ионов того вещества, из которого состоит. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называют электронной. Она делится на проводимость n-типа и p-типа. В производстве большую роль играет чистота исходных материалов.
Каждому полупроводнику можно придать проводимость n-типа или p-типа. Для этого нужно ввести в полупроводник немного примеси, которые чрезвычайно сильно увеличивают электропроводность полупроводника.
1. Общие сведения
Разнообразные типы полупроводниковых приборов в массовом масштабе используют в самых различных и ответственных схемах.
По своему назначению полупроводниковые приборы делятся на: терморезисторы (термисторы), фотоэлементы, варисторы. Особую группу составляют приборы с p-n- и p-n-p-переходами – диоды, транзисторы и др.
Фотоэлементы – приборы, использующие возникновение электрических зарядов под действием света. Фотопроводимость полупроводников пропорциональна силе света при слабом световом потоке. Также широко используются люминофоры – вещества, обладающие способностью светиться после воздействия света или потока электронов.
Варисторы – переменные сопротивления, величина которых зависит от напряжения, силы тока или полярности тока.
Принцип действия термисторов основан на использовании отрицательного значения температурного коэффициента сопротивления полупроводников. Незначительное повышение температуры может сильно уменьшить сопротивление полупроводникового термистора, чувствительность к температуре позволяет широко использовать термисторы как датчики температур для термокомпенсации в автоматических приборах и устройствах, в авиации, метеорологии др. Конструктивно термисторы изготовляют в виде дисков, шайб, стержней, бусинок и пленок, изготовляемых методом порошковой металлургии. Для этого используют порошковые окислы металлов ZnO, MgO, Ag2S. Порошки спрессовывают, потом обжигают при 900…1300 С и заключают между двумя контактами (электродами). Металлические контакты выполняют путем нанесения золотой, серебряной или платиновой пасты на основе эпоксидной смолы типа токопроводящего клея – контактола.
Бусинковые термисторы изготовляют путем натягивания двух тонких проволочек из платинового сплава параллельно друг к другу на расстоянии от 5 до 10 диаметров бусинок. Далее на них наносят небольшую каплю пасты из полупроводниковой смеси порошка со связующим компонентом. На проволочках может быть до 20 бусинок. Их просушивают и слегка нагревают, а затем спекают в печи.
Пленочные термисторы изготовляют методами вакуумной технологии.
Принцип действия приборов n-p-n и p-n-p-переходами основан на явлениях, происходящих на границе, разделяющей два полупроводника с различными типами проводимости.
Полупроводниковый прибор, содержащий один p-n-переход и предназначенный для выпрямления переменного тока, называют диодом. Диод пропускает ток только в одном направлении, т.е. обладает выпрямительными свойствами.
Для стабилизации напряжения применяют стабилитроны – полупроводниковые диоды, изготовленные из кремния с низким удельным сопротивлением.
Для работы в качестве переменной емкости применяют варикапы – полупроводниковые приборы.
Транзистор – полупроводниковый прибор способный усиливать или генерировать электрические колебания. Он представляет собой систему из двух p-n-переходов, расположенных на близком расстоянии друг от друга в одном монокристалле полупроводникового материала.
Наибольшее распространение получили приборы с и p-n-переходом. Они создаются методами диффузии, сплавления или сочетанием этих методов, а также методом вытягивания из расплава.
Основные и вспомогательные материалы выбираются исходя из назначения и конструкции прибора. Подготовка основных материалов заключается в их очистке. Металлургические методы очистки основаны на следующем явлении: выпадающие при охлаждении из расплавленного полупроводникового материала с некоторым количеством примеси (жидкая фаза) твердые кристаллики (твердая фаза) обычно имеют концентрацию примеси, отличающуюся от концентрации ее в жидкой фазе.
На практике используют два основных метода очистки: метод направленной кристаллизации и метод зонной плавки.
Создание перехода – очень важная операция. Переходы выполняют методами вытягивания кристалла из расплава, диффузией или сплавлением.
Метод вытягивания осуществляют следующим образом: в тигле в атмосфере инертного газа расплавляют монокристалл p-типа проводимости. Потом в расплав вводят некоторое количество примеси, дающей n-тип
проводимости, чтобы проводимость растущего монокристалла изменила знак и стала возможно большей. После вытягивания низкоомной части слитка n-типа необходимой длинны процесс прекращают. Этот процесс сопровождается вращением и вибрацией стержня, что позволяет вертикально расти кристаллу.
Диффузионный метод применяют для создания p-n-переходов из индия, кремния или германия. Диффузия – процесс проникновения атомов одного вещества в другое, который происходит в результате разности концентраций атомов. Создают две температурные зоны в кварцевой трубке. В одной из трубок находится тигель с примесью, в другой – лодочка с пластинами полупроводника. Через трубу пропускают инертный газ. Он захватывает примеси и несет их к пластинам полупроводника, расположенным вертикально. Затем температуру понижают, происходит процесс кристаллизации.
Также применяют планарные технологии. Они обеспечивают получение сложных слоистых структур типа p-n. Поверхность полупроводниковой пластины подвергают специальной термической обработке в окислительной атмосфере с целью создания на пластине кремния окисной пленки. На окисную пленку наносят локально защитное покрытие. Затем незащищенные части окисной пленки вытравляют, а защищенные остаются. Далее защитное покрытие снимают специальным растворителем. Обработанная пластина поступает на диффузию бора или мышьяка. Участки оставшейся окисной пленки препятствуют процессу диффузии для этих примесей. В результате создаются отдельные участки с p-n-переходами, которые, выходя на поверхность и оказываясь под слоем окиси кремния, являются хорошим диэлектриком.
Сплавной метод: в газовой или вакуумной печи нагревают кассету с таблетками индия, помещенными на поверхности германия. Сплав с примесью одного из элементов V группы периодической системы Д. И. Менделеева употребляют для получения p-n-перехода на полупроводниковом материале, имеющем p-тип проводимости. Загруженную кассету нагревают. После выдержки печь охлаждают до + 100 С, происходит взаимный расплав, а затем кристаллизация. Отвердевающий сплав насыщается индием, который проникает в германий. Эту операцию повторяют с другой стороны, получая p-n-p-переход.
Механическая обработка материалов и подготовка поверхности заключается в ориентации и разрезке слитка из пластины, которые затем шлифуют и травят для очистки от окислов и загрязнений. Вспомогательные материалы, в том числе контакты, изготовляют из никеля, меди, золота. После нарезки контакты травят, шлифуют, лудят и термообрабатывают. Кристаллические полупроводниковые и вспомогательные материалы режут алмазными дисками, стальными полотнами и абразивами на фрезерных и шлифовальных станках и дисковыми пилами. Для того, чтобы выявить брак, кристаллы сортируют и контролируют. Поверхность очищают путем тщательной промывки, чтобы удалить остатки растворов и солей, образовавшихся во время травления. Затем кристаллы сушат в среде очищенного и осушенного газа.
На стадии лакировки места p-n-перехода покрывают тонкой пленкой лака. Она предохраняет их от воздействия окружающей среды и обеспечивает стабильность параметров прибора во времени.
Выводы присоединяют пайкой, сваркой или оплавлением.
Окончательная обработка поверхности проводится химическим травлением с последующей промывкой.
Сборка прибора с корпусом: для транзисторов применяют герметизированные корпуса. Бескорпусные транзисторы и диоды заливают лаками и компаундами или опрессовывают пластмассами.
Для стабилизации параметров транзистора применяют искусственное старение прибора.
Перед монтажом приборы контролируют и отбраковывают по группам.
Полупроводниковые приборы получили широкое распространение. Их изготовлением занимаются десятки предприятий. Их развитие требует притока все более квалифицированных техников, обеспечение надежности, качества. Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Проблемы обеспечения надежности очень актуальны, так как отказы в работе изделия приводит к нарушению ритмичности производства, к экономическим потерям.
Надежность изделия определяется правильностью построения производственного процесса, унификацией и нормализацией его элементов. Она зависит от технического оснащения, технологических процессов, предметов производства (исходных материалов), исполнителей процессов. Необходимо контролировать технологическую точность изготовления приборов, чтобы параметры качества оставались стабильными в условиях серийного и массового производства. Поэтому технология изготовления полупроводниковых приборов должна быть точной и надежной.
Бабаянц С.С., Семенков Е.А., Основы конструирования и технологии производства электронных и электрических средств автоматизации. – М.: Высшая школа, 1997.
Баканов Г.Ф., Соколов С.С., Суходольский В.Ю., Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств. – М.: Академия, 2007.
Физика и технология полупроводников — одна из самых интересных областей компьютерной индустрии. В то же время полупроводниковая тематика достаточно сложная из-за большого количества терминологии и всевозможных нюансов. В этом материале мы постарались рассказать об основных полупроводниковых технологиях максимально простым языком. О кремнии, транзисторах и их производстве — читайте далее.
Большинство из вас наверняка прекрасно представляют и понимают, как устроен транзистор и как он работает. Но более глубокими познаниями могут похвастать немногие. Это неудивительно, поскольку данная тематика достаточно сложная для понимания, и описать максимально простым языком все процессы создания и работы транзисторов и чипов очень тяжело. Тем не менее, мы попытались это сделать. О том, что из себя представляет кремний, о транзисторах и их производстве — читайте далее.
Как это работает. Технологии полупроводников. Часть 1
Кремний — главный полупроводник
Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)
Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов
В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как EF. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.
Положение равновесия в pn-соединении
Транзисторы: MOSFET
Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).
MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.
По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.
Схема MOSFET-транзистора: исток (source), затвор (gate), сток (drain), подложка p-типа (p substrate)
Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.
Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.
Данные инвестиции должны быть направлены на создание производственных линий по литографической печати полупроводниковых изделий по 65 (55), 28 и даже 14-нм технологическим нормам. Кроме того, планируется производство микросхем флеш-памяти по 25-нм техпроцессу для использования в твердотельных накопителях.
Ожидается, что благодаря описанным инвестициям объём экспорта российских полупроводниковых изделий может достигнуть 20,4 млрд рублей к 2024 году, а к 2030 году — 48,8 млрд. Внутренний рынок новой отечественной микроэлектроники к 2024 году должен составить 466 млрд рублей.
Читайте также: