химический каталог




Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Автор А.И.Курносов, В.В.Юдин

ия. Каждая точка на диаграмме состояния, называемая фигуративной точкой, определяет числовые значения параметров, характеризующие данное состояние системы. Диаграмма состояния показывает, сколько и какие конкретные фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Для бинарных систем принято строить диаграмму состояния в координатах температура— состав (рис. 5.1). Линия ликвидуса на диаграмме состояния определяет области начала кристаллизации сплавов данных составов при охлаждении. Линия солидуса определяет области начала плавления сплавов данных составов при нагреве.

Уравнение линии ликвидуса для определения растворимости малорастворимых веществ — разбавленных растворов, близких к

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы, обладающей простой эвтектикой

идеальным, было предложено в 1890 г. И. Ф. Шредером:

где ??, хв — мольные доли или молярные растворимости компонентов А я В в растворе; АНА°, АНВ° — энтальпия плавления рас-

77

творителя В и растворяемого вещества A; R — газовая постоянная; ? а, Тв — термодинамические температуры плавления компонентов.

В формуле (5.1а) молярная растворимость Ха выражена в атомных долях. На практике нередко требуется определить растворимость в массовых соотношениях. В этом случае под растворимостью SA какого-либо вещества А в сплаве (А-\-В) понимают отношение массы этого вещества РА в данном сплаве к общей массе сплава {??-\-??)'-

Sa=-

г ? -i-fB

Переход от атомной растворимости к массовой производят с помощью преобразования:

мв

? ха s а

??+???2 ха+хв~ма~

где МА, Мв — атомные массы компонентов.

Как известно, ха-\-Хв=1- Оба уравнения описывают только начальные участки линий ликвидуса левой и правой частей диаграммы состояния с простой эвтектикой. Эвтектикой называют структуру сплава, состоящего из однородной механической смеси кристаллитов двух или нескольких веществ, которая обладает минимальной температурой плавления. Структура эвтектического сплава такова, что атомные и молекулярные связи в нем менее прочные, чем в порознь взятых веществах, и разрываются под действием меньшей тепловой энергии.

Для бинарной системы А—В, обладающей неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях, кривые ликвидуса и солидуса определяются соответственно уравнениями

Jci = [exp(-Xa)_ 11/[ехр(-Хя)-ехр(Хл)1, (5.2а) jc3k=fexp(—Хл)— 11Дехр(—Хя —??)_ 1J, ' (5.26)

где

?

в-

xAs — мольная доля компонента А в твердом состоянии.

Пример 1. Рассчитать линии ликвидуса и солидуса диаграммы состояния системы германий — кремний, обладающей неограниченной растворимостью в твердом и жидком состояниях.

Ликвидус и солидус рассчитывают по формулам (5.2а), (5.26). Растворителем является более легкоплавкий материал — герма-

78

ний, поэтому

ДЯ^ = Д//Ое = 3,4-107 Дж/кмоль, Гв=Г0е =960°С,

???=?/?1? = 5,05·107 Дж/кмоль, ta*=tSi= 1420°С, /?=8,314-103 ДжДкмоль-К),

Хв = .

А"ое ( R \

Ge

|_ 3,4-107 / 1__

? / 8,314-Юз (l233

?)-

?/4

= 4,09- ??3 ^8,1· ??"4- —j ,

5,05-??7 / ?___ц_

8,3 ¦ 103 1,1693 ? ~

—6,07· 103 ^5,9-10-«-

г, ? XL ? XL ?? xs ?? Xs ??

(эксп.) (эксп.)

1233 0 0 0 0

1323 0,105 0,10 0,286 0,36

1423 0,268 0,25 0,528 0,59

1523 0,488 0,46 0,727 0,76

1623 0,763 0,77 0,892 0,92

1693 1 1 1 1

Диапазон Существования ЖИД- Таблица 5.1

ких и твердых растворов 960— 1420°С. Разобьем его на пять интервалов и рассчитаем значения xla и xsа при Г=1050, 1150, 1250 и 1350°С. Данные расчетов сведены в табл. 5.1. Там же даны значения ликвидуса и солидуса, найденные экспериментально. Они хорошо согласуются с расчетом.

Закон рычага. Для определения количественного соотношения между жидкой и твердой фазами

при любых данных условиях используют закон рычага (правило отрезков). Проведем на диаграмме состояния (рис. 5.1) для произвольной температуры линию Inm, называемую конодой. Точки / и m определяют составы твердой и жидкой фаз, а отношение отрезков In и тп определяет соотношение масс жидкой и твердой фаз. Если Ml — масса жидкой части сплава, a Ms — твердой, то, согласно закону рычага,

Ms/ML=mn/ln. (5.3 По отношению к массе всего содержащегося в тигле сплава

Ms/ms-\-ML)=mn/mtt (5.4а) ML/(Ms + ML)=ntlml. (5.46)

При температуре эвтектики соотношение между массами твердых растворов SA и SB, присутствующих в твердой фазе,

MSA/MSB=bf/af.

79

Равновесный коэффициент распределения. Для определения растворимости примеси в твердой фазе большое значение имеет равновесный коэффициент распределения (коэффициент оттеснения, сегрегации) примеси, характеризующий относительное распределение примеси между твердой и жидкой фазами вещества, находящимися в равновесии. Численно коэффициент распределения равен отношению концентрации примеси в твердой фазе С» к концентрации этой же примеси в жидкой фазе CL при установлении равновесия (рис. 5.1):

k=CJCL. (5.5)

Переход примесного атома из жидкой фазы в твердую связан с преодолением некоторого потенциального барьера, поэтому температурную зависимость коэффициента распределения можно представить в виде

k0= exp ^--——- J , (5.6)

где ?#°— энтальпия или теплота плавления; AS0— энтропия плавления растворителя.

При температуре плавления равновесный коэффициент распределения ko — kna, а

Объединяя выражения (5.6) и (5.7), получим

K^Kf^ exp [--? (Jf-- l)] . (5.8)

При температурах, мало отличающихся от ???, экспонента близка к единице и

ka=(kn/«JT. (5.9)

Эта формула является хорошим приближением для температурной зависимости равновесного коэффициента распределения.

Ретроградный солидус разбавленных растворов Ge и Si. Подавляющее большинство бинарных систем на основе Ge и Si и ряд других полупроводников отличаются ретроградным солиду-сом, или так называемой «отрицательной» растворимостью. Линия солидуса у них на диаграмме состояния с понижением температуры от точки плавления растворителя вначале показывает увеличение концентрации примеси, а затем уменьшение (см. солидус левой части; рис. 5.1).

На рис. 5.2 и 5.3 приведены кривые растворимости различных примесей в Ge и Si. Все они имеют ретроградный характер.

Явление ретроградной растворимости наглядно иллюстрируется аналитическим путем рассмотрения уравнения ликвидуса совместно с температурной зависимостью коэффициента распреде-

ления. Согласно (5.16), линия ликвидуса для разбавленных растворов

л

Потенцируя, получим

??— 1 — ехр

?

? ?___!_

я [тв ?

(5.10)

с,см

10 ? 10й 101

ю'

- as

Г'- ,-" p' W

-у Sb

Ga A\

Щ Au]

? V \ УА 1 A I- Г i/i Fe| 1 t r ___LJ

00 *Ш1°С

Рис. 5.2. Зависимость предельной Рис. 5.3. Зависимость предельной растворимости примесных элементов растворимости примесных элементов

в кремнии от температуры

в германии от температуры

Молярная растворимость

Ха^Са)С^ Ca = xlaCl,

где cl = Cal+Cbl — полная концентрация атомов Л и ? в растворе. ,

Коэффициент распределения в условиях равновесия фаз

k0A = CAICA или CsA = kQACLA = kQAx'kCL.

Полагая концентрацию расплава постоянной (CL = const), находим изменение концентрации примеси в твердом растворе в зависимости от температуры:

< г .оО

Сл = const k0AxA=const (К/™/г 1 - exp

в I 1___,.

R \?? ?

(5.11) 81

Таблица 5.2

Выражение (5.11), является произведением двух функций: возрастающей и убывающей с температурой. Такое произведение имеет максимум и дает кривую ретроградного типа. Ретроградная растворимость обычно имеет место при ?пл<0,1.

Пример 2. Рассчитать ретроградный солидус алюминия в кремнии.

Для расчета используем формулу (5.11). Будем вести расчет концентрации алюминия в твердой фазе относительно полной концентраций атомов алюминия и кремния в расплаве:

где ?? = 3·10-3; АЯВ° = 5,05-107 Дж/кмоль; 7^=1420° С. Обозначим

г, к k 1—ехр ?? CsAiCL

1693 3-Ю'-3 0 0

1673 2,82-10~3 0,048 1,35-??"4

1623 2,35-??"3 0,146 3,43-10-"

1523 1,59· Ю-3 0,330 5,2-Ю"4

1323 5,9-??"4 0,632 3,7· ПО-4

1123 1,67-10-* 0,838 1,4· 10-"

923 2,4· 10"5 0,950 2,28· Ю-5

^-(?-?)=6'07·103(5·9·10-4-7-)

Расчетная формула

С^/с|-=(3.10-3)1693/7· {1 _еХр(Хл)}.

Данные расчета приведены в табл. 5.2.

Если учесть, что ?»5·1022 см-3, то максимальная растворимость алюминия в кристалле кремния составляет СА = 5 2Х ?10-4? = 5,2· 10-4-5· 1022 = 2,6· 10^ см~3 при 7=1250°С, что'хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемым значением, приблизительно равным 2-Ю19 см~3 при 1100—1250°С.

§ 5.2. Физико-металлургические основы образования сплавного р-я-перехода

Метод сплавления используется в технологии производства полупроводниковых приборов для создания р-я-переходов, омических переходов и присоединения электродных выводов к структурам.

Для образования сплавного р-я-перехода на поверхность полупроводникового кристалла помещают электродный материал (металл или сплав). Систему нагревают до температуры, при которой осуществляется сплавление, и после небольшой выдержки охлаждают. Характер протекания процесса сплавления и качество получаемых переходов определяются поверхностными свойствами металла и полупроводника, чистотой окружающей среды, взаимной растворимостью компонентов, диффузией атомов металла и полупроводника в жидкой фазе, растеканием расплава. Физические процессы, происходящие при сплавлении, мож-82

но разделить на три последовательных этапа: смачивание электродным материалом поверхности полупроводника; растворение некоторого объема полупроводника в электродном сплаве, определяемое диаграммой состояния; образование р-я- или омического перехода вследствие кристаллизации растворенного полупроводникового материала при охлаждении расплава.

Свойства некоторых элементов, применяемых для электродных сплавов, приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Элемент Температура плавления Г, °C Температура испарения ?, °С Плотность d, г/см3 TKP ¦

страница 20
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87

Скачать книгу "Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем" (3.82Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
купить глиняную посуду
стол и стулья для пикника
детский матрас 95х65 купить
аренда дачи на новой риге

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(25.03.2017)