Пути совершенствования диффузионного оборудования .

Диффузионные печи являются оборудованием, необходимым для производства ИС и имеющим на рынке достаточно устойчивый сбыт.

На пути своего становления диффузионные печи претерпели большое количество видоизменений от многозонных, конвейерных, индивидуальных, “лучистых”, с реактором виде опаянной ампулы, открытой трубы и др.

На сегодняшний день сложилась “классическая “ схема печи: резистивная печь сопротивления, однозонная с металлическим спиральным нагревателем из трех или пяти секций, с легированием из паровой или газовой фазы и микропроцессорным управлением, с развитой системой контроля и диагностики не только параметров процесса, но и состояния системы с широким использованием автоматической загрузки-выгрузки пластин.

Особое место занимает в рассматриваемом вопросе занимает диаметр обрабатываемых пластин. Уровень современности развития технологии изготовления ИС определяется уровнем освоенности производства динамических и запоминающих устройств (ДОЗУ). С ростом ёмкости ДОЗУ увеличивается площадь занимаемого им кристалла. Однако отечественные специалисты имеют свой подход к выбору диаметра обрабатываемых пластин, основанный основанный на минимизации себестоимости кристалла .

В середине 90-х годов прошлого века появились сообщения о проведении процесса на пластинах диаметром 200 мм.

В настоящее время целый фирм (BTV, DISKO SEIER, SVG, TEMPRESS, ASM, AST и др.) производителей диффузионного технологического оборудования перешли на выпуск установок под диаметр 200 - 250 мм

Переход на пластины диаметром 200 мм обнаружил следующие специфические проблемы:

n увеличение диаметра пластин приводит к необходимости увеличения диаметра реакционной камеры, который при традиционном горизонтальном их расположении приводит к возникновению значительной неоднородности температурных полей в объеме реактора;

n при проведении процессов загрузки-выгрузки пластин в печь наличие естественной конвекции приводит к проникновению (в рабочий объем печи) окружающей атмосферы, приводящей к привнесенным дефектам;

n с увеличением диаметра пластин увеличивается и толщина их, что, в свою очередь, (при сохранении количества одновременно загружаемых в печь пластин) приводит к значительному увеличению нагрузки на консоль бесконтактного загрузчика и даже вероятному прогибу её.

Исходя из выше сказанного, следует признать перспективным использование вертикальных диффузионных печей.

Ведущие западные фирмы уже перешли к новой компоновке печей.

Некоторые характерные особенности вертикальной ориентации диффузионных печей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Особенности вертикальных диффузионных печей

№ п/п	Преимущества	Недостатки
	Отсутствие вертикально направленной естественной конвекции устраняет гравита- ционное расслоение рабочей газовой смеси и градиент температуры по сечению реактора	Горизонтальное расположение увеличивает вероятность привнесённой дефектности за счет “осыпания “ частиц
	Упрощается конструкция загрузчика, так как его элементы работают только на сжатие (растяжение). Изгиб, как в горизонтальных печах, исключён	Выгружаемая горячая садка (в виде «столба» пластин) приводит к возникновению дополнительного конвективного потока, способствующего привнесённой дефектности
	Бесконтактный загрузчик не увеличивает диаметра реактора, так как отсутствует носитель лодочек	Новый тип оборудованиятрудно встраивается в существующие производственные площади
	Имеется возможность значитель ного ускорения охлаждения садки путем подъема нагревателя бе з подъема реакционной камеры

Термическая камера представляет собой спиральный нагреватель из сплава сопротивления, витки которого дистанционированы керамическими изоляторами.

Современные камеры используют расположенные по спирали изоляторы, что предоставляет возможность, по мнению авторов идеи, обеспечить дополнительное механическое крепление нагревателя от провисания при высоких температурах его.

Срок службы нагревателя существенно зависит от его рабочей температуры и составляет до 10000 часов и более при относительно низких температурах. Повышение рабочей температуры до уровня 1200 - 1250 ⁰ С приводит к значительному сокращению срока службы нагревателя, дохожящего до 2000 - 4000 часов / 4 /. Наилучшим отечественным материалом, используемым для нагревателя, является сталь марки ОХ23Ю5Т.

Для снижения повышенной тепловой нагрузки крайних секций нагревателя в торцах реактора используются трубки с теплоизоляцией.

С цель улучшения динамических характеристик ( охлаждения) печи некоторые из фирм используют реакционные камеры , имеющие двойные стенки, в зазор между которыми подается охлаждающий воздух. При этом скорость осаждения достигает величины 15 - 20 ⁰ С

Усилия производителей диффузионных печей направлены также и на снижение теплоёмкости рабочей камеры путем снижения веса материала нагревателя.

Достижения изготовителей печей по нестабильности температуры во времени процессов и распределении её изменялись от ± 5 ⁰ С (на начальном этапе разработок) до ± 0,5 ⁰ С. Для контроля и управления температурой печи используются платино-платинородиевые термопары.

В связи с неустановившимися подходами к конструкциям вертикальных печей невозможно однозначно указать какие-либо определенные технологические режимы и рекомендации. Определенным является лишь то, что загрузка печи производится снизу.

Имеются сообщения / 5 /, что в вертикальных печах удается достичь высоких результатов по привнесенной

дефектности: одна частица размером 0,3 мкм на одной пластине диаметром 150 мм.

Контрольные вопросы

1. Перечислите и раскройте возможности методов диффузионного легирования .

2. Какие структуры могут быть получены методами диффузионного легирования?

3. Какие основные методы используются для введения атомов легирующих примесей в кристаллическую решетку? Дайте необходимые пояснения.

4. На каких научных основах базируются методы диффузии? Дайте их характеристику.

5. Укажите пределы применимости законов А.Фика. Дайте пояснения.

6. Запишите уравнение 1 – го закона А. Фика. Приведите необходимые пояснения

7. Запишите уравнение 2– го закона А. Фика. Приведите необходимые пояснения.

8. При каких граничных условиях наиболее часто проводятся решения уравнений законов А. Фика?

9. Сформулируйте условия, при которых проводится решение уравнений 1 – го закона А. Фика.

10. Сформулируйте условия, при которых проводится решение уравнений 2 – го закона А. Фика.

11. Приведите график распределения примеси при легировании из неограниченного источника. Дайте необходимые пояснения

12. Приведите график распределения примеси при легировании из ограниченного источника. Дайте необходимые пояснения.

13. В каких практических случаях используется легирование из бесконечного источника?

14. В каких практических случаях используется легирование из ограниченного источника?

15. Поясните причину сильной зависимости процессов диффузии от температуры

16. Сформулируйте требования к точности поддержания температуры процесса диффузионного легирования.

17. При каких температурах проводят процессы диффузии? Почему ?

18. На какие показатели процесса диффузионного легирования влияет масса лодочки? Почему?

19. Перечислите основные элементы, используемые в качестве лигирующих добавок. Дайте необходимые пояснения.

20. Зависит ли качество проведения процесса диффузии от качества и состояния поверхности подложки? Если ДА, то почему?

21. Какими физическими свойствами (характеристиками) определяется температура процесса диффузии? Почему?

22. От какого физического показателя зависит уровень поверхностной концентрации примеси?

23. Приведите схемы диффузионных процессов. Дайте необходимые к ним пояснения.

24. В каких случаях используется однозонная диффузионная печь?

25. В каких случаях используется двухзонная диффузионная печь?

26. Перечислите преимущества (недостатки) двухстадийного метода диффузии.

27. В каких технологических средах проводят диффузионные процессы?

28. С какой целью диффузию проводят в окисляющей среде?

29. Дайте характеристику и приведите параметры процесса при легировании из твердого источника диффузии.

30. Дайте характеристику и приведите параметры процесса при легировании из жидкого источника диффузии

31. Дайте характеристику и приведите параметры процесса при легировании из газообразного источника диффузии.

32. Проведите сравнение между собой процессов диффузионного легирования из твердых, жидких и газообразных источников диффузии.

33. Приведите упрощенную схему механизма диффузионного легирования.

34. Перечислите основные задачи диффузионной технологии.

35. Дайте характеристику операциям и приведите рабочие температуры и время проведения 1-ой стадии диффузии.

36. Дайте характеристику операциям и приведите рабочие температуры и время проведения 2-ой стадии диффузии

37. С какой целью проводится моделирование процесса диффузионного легирования?

38. Какую цель преследует моделирование источника диффузии?

39. Какие (основные) конструктивно-технологические параметры позволяет оптимизировать модель источника диффузии?

40. Приведите характерные зависимости для источника примеси от изменений конструктивных параметров диффузионной системы.

41. Приведите характерные зависимости для источника примеси от изменений технологических параметров диффузионной системы.

42. Каких рекомендаций и почему следует придерживаться при осаждении источника диффузии?

43. Сформулируйте основные требования к диффузионному оборудованию.

44. Из каких основных материалов изготавливаются реакционные камеры диффузионных печей? Дайте необходимые пояснения.

45. С какой целью в диффузионных печах используются трубы из алунда? Назовите примерный состав его.

46. Какие явления, сопровождающие процесс диффузии, влияют на основные (какие) показатели диффузионного оборудования?

47. Назовите основные устройства и системы, входящие в диффузионно-окислительный комплекс.

48. Объясните устройство нагревательного модуля диффузионной электропечи.

49. Сколько секций имеет нагревательный элемент диффузионной электропечи? Каково назначение каждой из секций?

50. Каким образом может быть уменьшена тепловая инерция термического модуля диффузионной электропечи?

51. Каким образом осуществляется токоподвод к нагревательному элементу диффузионной электропечи?

52. Из какого материала изготавливается нагревательный элемент (НЭ) диффузионной электропечи? Проходит ли НЭ предварительную обработку (если ДА, то какую) при изготовлении нагревателя диффузионной электропечи?

53. Из каких условий выбирается шаг между витками нагревателя? Приведите необходимые объяснения?

54. Какими соображениями следует руководствоваться при выборе размеров крайних секции диффузионной электропечи?

55. Каков уровень рабочей температуры материала нагревателя, и каков характер распределения температуры по длине НЭ?

56. Объясните, каким образом в термическом модуле диффузионной электропечи размещаются регулирующие термопары? Почему?

57. Объясните устройство и работу системы автоматического регулирование температурой (САРТ) диффузионной электропечи.

58. Объясните назначение и устройство компенсатора холодных концов термопары, входящего в состав САРТ диффузионной электропечи.

59. Что понимается под кинетикой нагрева садки?

60. Объясните характер зависимостей, определяющих кинетику нагрева садки.

61. Каковы пути управления кинетикой нагрева садки ? Перечислите наиболее рациональные из них.

62. Какими обстоятельствами было вызвано введение системы автоматической загрузки-выгрузки садки в диффузионную электропечь?

63. Какие функции и операции выполняет автоматический загрузчик?

64. Каково назначение газораспределительной системы диффузионной электропечи?

65. Каковы основные направления в разработках диффузионно-окислительного оборудования и их перспективы?

66. Какими обстоятельствами было вызвано введение автоматичекой поточной линии диффузии (АПЛ-Д)?

67. Расскажите об устройстве , составе и работе АПЛ-Д.