Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вопрос 1
По конструктивным и технологическим признакам п/п приборы разделяют на точечные и плоскостные; плоскостные делят на сплавные, диффузионные, мезапланарные, планарные), эпипланарные и др.
Вопрос 2
Интегральная микросхема компонентов (совокупность транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.) Полупроводниковая ИС , Пленочная ИС, Гибридная ИС, Совмещенная ИС
Вопрос 3
С помощью планарной технологии можно одновременно формировать на подложке 103-108 транзисторов и осуществлять многостадийные процессы, а благодаря этому создавать ИС со сложной структурой.
Плёночная технология расширяет диапазон параметров и повышает точность изготовления пассивных элементов. Поэтому она служит важным дополнением планарной технологии.
Вопрос 4
1 этап – до 1904 г. (в 1873 г. А. Лодыгин изобрел лампу накаливания с угольным стержнем; в 1883 г. Т. Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии; в 1874 г. Ф. Браун открыл выпрямительный эффект в контакте металла с полупроводником; в 1895 г. А. Попов использовал этот эффект для детектирования радиосигналов и т.д.).
2 этап – до1948 г.– период развития вакуумных и газоразрядных электроприборов (в 1904 г. Д. Флеминг сконструировал электровакуумный диод; в 1907 г. Ли–де–Форест изобрел триод; в 1920 году Бонч–Бруевич разработал генераторные лампы с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт; в 1924 г. Хеллом разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод) и в 1930 г. лампа с тремя сетками (пентод); в 1929 г. В. Зворыкиным был изобретен кинескоп; с 30–х годов ведется разработка приборов СВЧ–диапазона и т.д.).
3 этап – с 1948 г. – период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.
4 этап – с 1960 г. – период развития микроэлектроники (Роберт Нойс предложил идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию, изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы).
Вопрос 5
Надежность, чистота материалов, габариты, масса, стоимость, мощность, повышение выхода годных изделий, увеличение размеров подложек.
Вопрос 6
Основные принципы технологии микроэлектроники - групповой метод и планарная технология. Групповой метод производства заключается в том, что, во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интегральных схем; во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин. Планарная технология — это такая организация технологического процесса, когда все элементы и их составляющие создаются в интегральной схеме путем их формирования на плоскости.
Особенность микроэлектроники заключается в совмещении процесса получения материалов с созданием пленочной схемы, включающей активные и пассивные элементы и выполняющей определенную радиотехническую функцию. Наибольшее значение приобрели ИМС, изготовленные на одной полупроводниковой пластине по планарной технологии, при которой все технологические операции выполняются последовательно в одном направлении, перпендикулярном поверхности пластины.
На пластине формируется одновременно большое число ИМС. Окончательной операцией является резка пластины на отдельные ИМС с последующим устройством выводов и заключением в корпус.
Вопрос 7
При создании структур с p-n-переходами для полупроводниковых приборов широко используют легирование путём диффузионного введения примеси. Профиль концентрации примеси при диффузии описывается обычно функцией ошибок и имеет вид плавной кривой, характер которой определяется следующими факторами: температурой и временем проведения процесса; толщиной слоя, из которого осуществляется диффузия; концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также её электрическим зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами в полупроводниковом материале. Из-за малых значений коэффициента диффузии основных легирующих примесей диффузионное легирование обычно проводят при высоких температурах (для Si, например, при 1100—1350 °C) и в течение длительного времени; при этом оно, как правило, сопровождается генерированием в кристалле значительного количества структурных дефектов, в частности дислокаций. При диффузионном легировании возникают трудности в получении тонких легированных слоев и достаточно резких p-n-переходов.
Для получения тонких легированных слоев перспективны процессы ионного легирования (ионной имплантации), при которых введение примесных атомов в приповерхностный слой материала осуществляется путём бомбардировки соответствующими ионами с энергией от нескольких КэВ до нескольких МэВ. Возможность введения практически любой примеси в любой полупроводниковый материал, низкие рабочие температуры процесса, гибкое управление концентрацией и профилем распределения вводимой примеси, возможность легирования через диэлектрические покрытия с получением тонких, сильно легированных слоев обеспечили широкое распространение этого метода в технологии полупроводниковых приборов. Однако в процессе ионного легирования генерируются собственные точечные дефекты структуры, возникают области разупорядочения решётки, а при больших дозах — аморфизованные слои. Поэтому для получения качественных легированных слоев необходим последующий отжиг введенных дефектов. Отжиг проводят при температурах существенно более низких, чем при диффузии (для Si, например, не выше 700—800 °C). После отжига свойства имплантированных слоев близки к свойствам материала, легированного до тех же концентраций традиционными методами.
Вопрос 8
Все кристаллические поверхности можно подразделить по их термодинамическим свойствам, атомному строению, особенностям кинетики процессов на них на три типа: сингулярные, вицинальные и диффузные, или несингулярные. Такую классификацию предложили Кабрера и Франк.
Поверхности, которым на зависимости поверхностной энергии от ее ориентировки Р отвечает острый минимум или излом (рис. 2.3, Р =0 и Р = ±Ро). называются сингулярными.
Направления в непосредственной близости от ориентировки для сингулярной поверхности соответствуют вицинальным поверхностям. Для случая вицинальных поверхностей по¬верхностная энергия практически линейно изменяется с изменением ориентировки поверхно¬сти. Диффузная, или несингулярная поверхность характеризуется тем, что ее поверхностная энергия плавно изменяется с изменением ориентировки.
Зависимость энергии поверхности от ее кристаллографической ориентировки.
Схемы профилей кристаллической по-верхности: а-сингулярная, б-вицинальиая, в-лиффузмая
Чаще всего все поверхности по своей атомной структуре подразделяются на атомно- гладкие (рис. 2.5, а) и атомно-шероховатыс (рис. 2,5, б). Атомно-шероховатой называют поверхность, на которой доля поверхностных узлов, занятых атомами и вакансиями, в первом приближении составляет ~50 %
В общем случае кристаллизация может осуществляться как на изотропной, так и на анизотропной поверхности.
Изотропной считается поверхность, которая не оказывает ориентирующего влияния на зародыши образующейся фазы, при этом атомы на реальной поверхности обладают ближним порядком в своем расположении. Структуру такой поверхности называют аморфной. Анизотропной поверхностью является поверхность подложки, имеющая моно или поликри-сталлическую структуру.
С позиций атомного строения сингулярная поверхность представляет собой гладкую поверхность, на которой атомы поверхности располагаются в одной плоскости (рис. 2.4). Вицинальная поверхность состоит из плоских террас, высота которых зависит от наклона этой поверхности к сингулярной. Диффузная поверхность характеризуется наличием изломов.
Изломы на такой поверхности распределены по всей площади равномерно и имеют значительно большую плотность, чем на вицинальных гранях. Различия рассмотренных типов поверхностей существенно влияют на процесс роста кристалла. Сингулярная поверхность может расти только за счет, движения атомного слоя вдоль поверхности, тогда как несингулярная граница раздела между фазами может перемещаться в направлении, перпендикулярном поверхности. Всем ориентировкам с рациональными миллеровскими индексами должны соответствовать острые минимумы на диаграмме изменения поверхностной энергии от ориентировки, и соответствующие им поверхности должны быть сингулярными. Поверхности с другими ориентировками являются в этом случае вицинальными. Однако большинство из этих острых минимумов размывается из-за колебаний атомов уже при очень низких температурах, и сохраняются лишь наиболее важные минимумы, соответствующие поверхностям с более высокой симметрией решетки. В общем случае для всех граней должна существовать критическая температура, выше которой исчезал бы острый минимум поверхностной энергии; область перехода в этом случае увеличилась бы от одного до нескольких атомных споев.
Вопрос 9
Механизм процессов зарождения и роста пленок во многом определяет их кристаллическую структуру, а следовательно, и электрофизические, физико-химические, механические и другие свойства. Поскольку большинство ТП производства РЭА связано с осаждением или растворением пленок, поэтому необходимо рассмотрел, физико-химические основы процессов зарождения и роста пленок новой фазы.
Пленки создаются на поверхности подложек при взаимодействии этих поверхностей с потоком частиц осаждаемых веществ. Результатом такого взаимодействия является появление новой фазы на поверхности подложки (пластины, детали, платы).
Потоки частиц могут иметь различный характер; молекулярные или ионные направленные пучки, потоки газовой и жидкой сред, движущиеся но законам газо- и гидродинамики, а также диффузионные потоки частиц. Процессы зарождения новой фазы могут протекать на границах различных фаз: жидкость - твердое тело, газ (пар) - твердое тело, твердое тело - твердое тело, композиционные пасты - твердое тело, жидкость -пар (газ).
Молекулярный пучок формируется, например, при испарении вещества. Этот пучок, достигая поверхности конденсации (подложки), имеющей температуру значительно ниже температуры испарения, конденсируется на ней, образуя пленку. Если температура конденсации (подложки) ниже температуры плавления вещества, то сначала образуются зародыши твердой фазы, а затем и сама твердая пленка. Если температура конденсации близка к температуре плавления или выше се, то формируется жидкая пленка.
Однако в любом случае исходным материалом для создания пленки является поток частиц (молекул или атомов) or испарителя на подложку. Энергия этих частиц практически равна энергии испарения вещества.
Если поток частиц формируется за счет образования ионной плазмы при катодном или другом каком-либо способе распыления, то этот поток имеет сложный состав (включая нейтральные атомы, ионы и электроны в различных пропорциях). Так как энергии этих частиц могут отличаться друг от друга, то и характер их взаимодействия с поверхностью подложки будет различным, что скажется на механизме зарождения и роста пленок. При химическом осаждении пленок (например, из газовой фазы) характер взаимодействия, частиц с поверхностью еще более усложняется. Процесс протекает в несколько стадий: 1) адсорбция взаимодействующих молекул на этой поверхности;
2) диффузия молекул;
3) химическая реакция исходных компонентов с появлением молекул, осаждаемого вещества;
4) адсорбция этих молекул и выделение их в отдельную фазу на поверхности;
5) десорбция летучих продуктов реакции. Аналогичная картина наблюдается и при электрохимическом осаждении пленок из электролитов.
Вопрос 10
Движущей силой процесса кристаллизации является пересыщение, то есть превышение фактической концентрации кристаллизующегося вещества над его равновесной концентрацией в данных условиях. Это очень простое, но очень важное определение. Из него следует, что отсутствие пересыщения остановит процесс кристаллизации. Термодинамическое состояние системы определяет ее энтропию (структуру). Поскольку при кристаллизации происходит изменение структуры раствора, меняя энтропию можно изменить кинетику процесса кристаллизации. Другими словами, изменение значения факторов, определяющих энтропию системы, например температуры, может приводить к изменению кинетики кристаллизации.
Фундаментальными понятиями, применяемыми при описании процесса кристаллизации, является растворимость. Растворимостью называют количество вещества, которое может раствориться в данном объеме жидкости в фиксированных термодинамических условиях.
Вопрос 11
Согласно уравнению Герца - Кнудсена частота столкновений
где а, - коэффициент конденсации; рu. рк - давления насыщенных паров при температурах испарения и конденсации (т. е. испарителя и подложки). Следовательно, скорость образования зародышей
Вопрос 12
Образование сферического зародыша новой фазы, содержащего iкp молекул, сопровождается некоторым изменением свободной энергии ΔGi, связанным с появлением определенной поверхности Sn и объема новой фазы V. В отсутствии полей и зарядов этот процесс можно описать уравнением:
(3.2)
(3.3)
(3.4)
где r- радиус сферического зародыша, - поверхностная энергия; ΔGv-изменение свободной энергии при конденсации, практически равное энергии испарения, рпер - давление перенасыщенного пара, рравн - равновесное давление пара, соответствующее температуре конденсации Т; N↓ и N↑ - число молекул, движущихся к поверхности конденсации и испаряющихся с нее.
Следовательно, уравнение (3.2) можно представить в виде
Вопрос 13
Как видно из рисунка, свободная энергия ΔGi растет с увеличением r до значения ΔGкр[r=rкр(i=iкр)], а затем быстро убывает. Агрегаты радиусом r<rкр, считаются нестабильными, а радиусом r>rкр -стабильными зародышами новой фазы. Последним соответствует уменьшение свободной энергии.
Вопрос 14
В настоящее время существуют две теории гетерогенного образования зародышей конденсированной фазы: термодинамическая (макроскопическая) Гиббса - Фольмера и кинетическая (микроскопическая) Френкеля - Родина. Первая исходит из условий термодинамическою равновесия в системе пар (газ) -зародыш - подложка. В ней используются такие термодинамические понятия, как свободная и поверхностная энергии, степень перенасыщения и др. Такой подход оправдан при небольших перенасыщениях пара, когда критический зародыш состоит из большого числа атомов, а следовательно, к нему применимы термодинамические законы. Однако во многих реальных процессах, когда степень перенасыщения велика (108 -1040), критический зародыш оказывается состоящим из одного атома. Описывать термодинамическими уравнениями столь малые агрегаты нельзя. В таком случае возможен лишь кинетический подход.
Вопрос 15
При кристаллизации на анизотропной поверхности подложки выделяют два принципиально различных механизма роста - послойный и нормальный. Послойный рост кристалла предполагает наличие на атомно-гладкой поверхности кристаллизации ступеней, к атомам которой присоединяются атомы кристаллизующегося вещества (рис. 2.2). Рост кристалла осуществляется путем последовательного зарастания слоев,
Рис. 2.2 Механизмы атомно-молекулярных процессов
т.е. тангенциального перемещения ступеней. При нормальном росте кристалла атомы кристаллизующегося вещества присоединяются к атомам кристалла практически в любом месте поверхности. Это возможно в том случае, когда на поверхности имеется достаточно много энергетически выгодных мест закрепления атомов, т. е. когда поверхность является атомно-шероховатой. В этом случае поверхность в процессе роста перемещается но нормали к ней (см. рис. 2.2).
Известны различные механизмы послойного роста кристалла, основанные на близких
допущениях. Главным этапом в этом случае является этап возникновения источников ступе
ней. При послойном росте выделяют зародышевый и спиральный механизмы роста (см. рис.
2.2).
Послойный рост кристалла, связанный с образованием зародышей на атомтно-гладких
поверхностях, получил название механизма Фольмера - Косселя - Странского (ФКС). Вначале была разработана термодинамическая теория роста кристаллов (Фольмср, 1926 г.). В этой теории предполагалось, что на границе раздела фаз имеется адсорбционный слой атомов кристаллизующегося вещества, которые диффундируют по поверхности. В адсорбционном слое в результате соударения атомов образуются термодинамически устойчивые двумерные зародыши, которые разрастаются в кристаллический слой. Стадия образования нового слоя многократно повторяется.
Вопрос 16
Процссс роста кристалла в случае кристаллизации через образование зародышей условно разграничивают на две основные стадии: образование зародышей (обычно моноатомной высоты) и их рост. При образовании двумерных зародышей возможно возникновение ступенчатой грани кристалла. Это происходит в том случае, когда линейная скорость движения ступеней не слишком велика по сравнению со скоростью роста кристалла по нормали к гладкой грани. Аналогичный механизм роста кристалла при этих условиях наблюдается и тогда, когда исходная грань имеет ступенчатую структуру. Иногда этот механизм роста называют непрерывным.
Вопрос 18
Феноменологические гипотезы эпитаксии
1.Структурно-геометрический принцип Руайе: в 1925-1935 гг. - рост эпитаксиальных веществ с ионной связью на гранях кристаллов и той же связью между атомами. Эпитаксия может происходить только при наличии у срастающихся веществ двух плоских параллельных ре¬шеток, имеющих ячейки одинаковой или почти одинаковой формы с близкими периодами. Необходимо, чтобы нарастающая фаза и подложка имели геометрически подобные плоские атомные решетки с почти - или кратными межатомными расстояниями. Предельная разность между периодами плоских сеток, при котором возможно нарастание 15%.
2.Финч и Кворелл в 1933 г. выдвинули гипотезу о «поверхностном псевдоморфизме». Под псевдоморфизмом понимается изменение периода решетки нарастающей фазы в результате упругой деформации ее структуры, но так, что при этом объем элементарной ячейки сохра¬няется постоянным. Предполагается, что межатомное расстояние в псевдоморфном слое пе¬ременно: от периода решетки материала поверхности срастания до периода решетки мате¬риала наращиваемой фазы. В таком случае изменения периода решетки могут достигать де¬сятков процентов.
Кристаллическая решетка образующейся фазы постепенно приобретает свои обычные размеры. Возникает тонкий слой новой фазы соответствующий подложки решетки обеспечивающий дальнейшее ориентированное нарастание
3. Концепция псевдоморфизма получила дальнейшее развитие в работах Франка и Ван дер Мерве
Для ориентированного нарастания необходимо, чтобы первоначально на подложке образо¬вывался неподвижный и определенным образом ориентированный относительно подложки монослой нарастающей фазы. Это возможно при условии, если атомы растущей фазы зани¬мают на подложке места, являющиеся потенциальными ямами поверхностного поля подложки.
Ван дер Мерве считал, что образование монослоя является адсорбционным процессом, по¬этому важно не сходное расположение атомов веществ, а сходное расположение потенци-альных ям на поверхности подложки и атомов осадков в плоскости срастания. Недостаток в том, что при изучении тончайших ориентированных слоев псевдоморфизм не наблюдается
• При осаждении на монокристаллическую подложку рост осуществляется за счет достройки исходной структуры. В гомоэпитаксии - каждый осаждающийся атом попадает в потенциальную яму атома по¬верхности.
В гстероэпитаксии - проблема несоответствия параметров решетки двух материалов соглас¬но теории Франка и Ван дер Мсрве первый слой полностью повторяет конфигурацию поверх¬ности подложки. Т. к. потенциал поверхностных сил > взаимодействия атомов вещества в эпи¬таксиальном слое. С возрастанием последовательности слоев баланс сил изменяется и осущест¬вляется постепенный переход от подножки к эпитаксиальному слою.
4. Гипотеза Чистякова. При кристаллизации из газовой фазы на поверхности растущего кри¬сталла имеется тонкий сплошной слой жидкой фазы(расплавленные соединения на основе кристаллизующего вещества и кислорода), кроме того на поверхности подложки находятся различные примеси - Fе, Al, Ga, Сu.
Предполагается наличие разнести потенциалов между внешней и внутренней поверхностями жидкого слоя, что увеличивает скорость массы потока в поверхности растущего кристалла и может служить основой для разработки методов управляемого слоя
Вопрос 19
Реальные кристаллы имеют различного рода отклонения от точной периодичности.
Обычно различают отклонения в виде точечных и линейных дефектов. Из физики твердого тела известны точечные дефекты Шоттки и Френкеля. Существуют также отклонения в плоскостях кристаллической решетки, вызывающие появление дислокаций. Сочетания краевой и винтовой дислокаций могут образовывать любую другую дислокацию. В отличие от точечных дефектов дислокация представляет собой линейный дефект. Таким образом, точечные и линейные дефекты характерны для любой реальной плоскости твердого тела. В атомных масштабах поверхность реальных кристаллов является шероховатой. Реальная поверхность твердого тела наряду с атомной шероховатостью имеет много других дефектов: границ зерен, мест выхода на поверхность дислокаций, искажений кристаллической решетки при механическом воздействии и др. Все это приводит к избытку энергии в поверхностном слое по сравнению с энергией внутри твердого тела.