Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 11
1.1 Монокристаллы сапфира 11
1.1.1 Метод ГНК 12
1.1.2. Дефекты структуры кристаллов и закономерности их образования 16
1.1.3 Особенности выращивания кристаллов сапфира 19
1.1.4 Особенности теоретического решения задач радиационно — кондуктивного теплообмена в процессе роста монокристаллов 21
1.2 Изготовление подложек из сапфира 25
1.2.1 Сапфир, как материал для подложек ИМС 25
1.2.2 Требования к поверхности подложек 27
1.2.3 Резка монокристаллов сапфира на пластины 28
1.2.4 Шлифовка и полировка сапфировых пластин 30
1.3 Использование сапфировых подложек в электронной технике 33
1.3.1 Конструкционное применение сапфира в качестве «подложек» в изделиях электронной техники 33
1.3.2 Сеноры давления на основе структуры «кремний.на сапфире» 36
1.4 Выводы по главе 1 39
Глава 2 Экспериментальные методы, используемые для исследования свойств кристаллов сапфира .42
2.1 Способы контроля.условий роста в методё ГНК 42
2.2 Исследование блочного строения кристаллов сапфира 49
2.3 Поляризационно - оптический способ измерения остаточных напряжений 51
2.4 Методика изготовления сапфировых подложек 52
2.5 Метод атомно-силовой микроскопии 54
2.6 Выводы по главе 2 56
Глава 3 Влияние теплофизических свойств материалов на процесс кристаллизации 58
3.1 Моделирование процессов, влияющих на качество растущего кристалла сапфира методом гнк 58
3.1.1 Теплофизические процессы, происходящие на начальной стадии роста. 60
3.1.2 Самосогласованый рост кристалла при больших начальных переохлаждениях 63
3.1.3 Влияние градиента температуры в кристалле на положение и форму
фронта кристаллизации 67
3.1.3.1.Моделирование процессов теплообмена в системе кристалл-расплав..67
3.1.3.2 Расчет распределения-температуры в системе расплав — кристалл - шихта 73
3.2 Влияние теплофизических процессов, происходящих при росте кристалла сапфира на наличие пузырей;в кристалле 78
3.3 Влияние мощности нагревателя на качество кристаллов сапфира, полученных методом ГНК 81
3.4 Выводы по главе 3 86
Глава 4 Экспериментальное исследование температурных полей в установке типа сзвн и кристалле сапфира на различных этапах роста 88
4.1 Экспериментальное исследование распределения температур в установках ГНК типа СЗВН - 155 88
4.2 Влияние теплового пространства печи для выращивания кристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на условия теплообмена в процессе кристаллизации 96
4.3 Исследование остаточных напряжений в кристаллах сапфира 100
4.4 Выводы по главе 4 104
Глава 5 Применение кристаллов сапфира в электронной технике 106
5.1 Изготовление сапфировых элементов электронной техники 106
5.1.1 Исследование механической обработки сапфировых элементов 106
5.1.2 Исследование химико-механической полировки сапфира 111
5.1.3 Маршрут изготовления подложек из сапфира 114
5.2 Разработка конструкции датчика давления на основе структуры «кремний-на-сапфире» 117
5.2.1 Конструкция датчика давления 117
5.2.1 Моделирование упругого элемента датчика давления 121
5.2.3 Расчет чувствительности датчика давления 125
5.2.4 Методика проектирования упругого элемента датчика давления 128
5.3 Выводы по главе 5 129
Заключение 131
Список использованной литературы 137
Приложение 151
- Особенности теоретического решения задач радиационно — кондуктивного теплообмена в процессе роста монокристаллов
- Поляризационно - оптический способ измерения остаточных напряжений
- Влияние теплофизических процессов, происходящих при росте кристалла сапфира на наличие пузырей;в кристалле
- Влияние теплового пространства печи для выращивания кристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на условия теплообмена в процессе кристаллизации
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Разработка технологии получения кристаллов сапфира и изделий из них во многом определяет успехи развития важнейших направлений квантовой электроники, микроэлектроники, атомной энергетики. Весьма широк диапазон потребительских свойств монокристаллического сапфира: от генерации, усиления и преобразования электромагнитных колебаний до использования в качестве конструкционного материала. Такое широкое применение кристаллов сапфира связано с тем, что они обладают набором уникальных качеств: высокая оптическая однородность и прозрачность в широком диапазоне длин волн, радиационная стойкость, хорошие механические, термические и диэлектрические свойства.
Однако производство и решение научно-технических задач, связанных с получением и обработкой крупногабаритных кристаллов сапфира, до сих пор остается серьезной проблемой. Это связанно с высокой плотностью дислокаций, пористостью и наличием значительных внутренних механических напряжений по всему объему кристалла, а также в высокой твердости материала и химической инертности.
В области исследования качества кристаллов сапфира и изделий из них недостаточно изученными остается ряд вопросов. Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с разработкой и исследованием технологии изготовления элементов электронной техники на основе монокристаллического сапфира, представляется современной и актуальной.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы являются разработка и исследование технологии изготовления подложек из монокристаллического сапфира для элементов электронной техники. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи диссертационной работы:
Проведение исследования свойств кристаллов сапфира и разработка режимов их выращивания, обеспечивающих получение материала с заданными структурными параметрами.
Разработка технологической схемы изготовления подложек, включающей выращивание кристалла сапфира, ориентированную резку монокристаллического блока на пластины в заданной кристаллографической плоскости, придание им необходимых геометрических размеров, механическую шлифовку и финишную химико-механическую полировку. -
Разработка и исследование конструкции чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» для сенсора давления.
Научная новизна работы:
Разработана модель роста сапфира, в которой форма кристалла задается углом разрастания и толщиной кристалла, позволяющая определить зависимость градиента температуры в кристалле от его геометрии, а также рассчитать режим ведения кристаллизации, обеспечивающий постоянство скорости роста кристалла; а, соответственно, и степень дефектности кристалла сапфира для элементов электронной техники.
Установлено, что самосогласованный рост кристалла при больших начальных переохлаждениях стабилизируется, когда количество тепла, отводимое через боковую поверхность и поверхности, ограничивающие кристалл сверху и снизу равны.
Разработана модель роста сапфира, в которой проводится двумерное моделирование, позволяющее отследить не только скорость перемещения, но и форму фронта кристаллизации, определяющую закономерность захват пузырей фронтом кристаллизации.
Установлено, что в условиях самосогласованного роста кристалла скорость кристаллизации равна скорости протягивания тигля. Такие условия выращивания кристаллов позволяют управлять дефектностью растущих кристаллов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана технологическая схема изготовления подложек из монокристаллического сапфира, на основании которой проведен анализ дефектности выращенных кристаллов, а также взаимодействия абразивного материала и обрабатываемой поверхности и его влияния на интенсивность снятия материала и на качество обрабатываемой поверхности.
Усовершенствована методика изготовления пластин-подложек AI2O3 для интегральных схем, позволяющая повысить производительность процесса изготовления на 15%, и получить поверхность с шероховатостью Rmax менее 3 нм.
Оптимизирована технологическая методика выращивания монокристаллов сапфира методом ГНК, позволяющая снизить содержание пор диаметром 10"4 - 10"3 см в кристалле на 10%.
Разработана методика изготовления датчика давления, на основе структуры «кремний - на - сапфире».
Используемые методики.
Контроль условий роста в методе ГНК производился путем измерения параметров электропитания нагревателя кристаллизационной печи — напряжение, мощность. Одновременно осуществлялось визуальное наблюдение за нахождением фронта кристаллизации относительно нагревателя.
Температурные измерения производились с помощью вольфрам- рениевых термопар ВР5. Контроль качества получаемого монокристалла и определение его параметров осуществлялось поляризационно-оптическим методом с использованием полярископа типа ПКС — 250.
Контроль измерения углов разориентации блоков и определение направления оси поворота осуществлялся по методу обратной рентгеновской съемки в расходящемся пучке.
Качество поверхности подложек после алмазной и химико - механической полировки исследовалось методами профилографирования и атомно — силовой микроскопии.
Положения, выносимые на защиту;
Модель, на базе которой проведен анализ процесса получения кристаллов сапфира по методу ГНК в зоне разрастания кристалла.
Модель, на базе которой, проведен анализ распределения температуры в системе расплав - кристалл на различных этапах процесса получения кристаллов сапфира методом ГНК.
Оптимизированная технологическая методика ведения процесса кристаллизации, обеспечивающая рост бездефектных кристаллов.
Усовершенствованная методика изготовления пластин-подложек А12Оз для интегральных схем:
Конструкция датчика давления на основе структуры «кремний на сапфире».
Реализация результатов диссертационной работы.
Диссертационная' работа выполнялась на кафедре КЭС ТТИ ЮФУ и предприятии ООО «Завод Кристалл» г.Таганрог в рамках х/д работ 2006г.: «Исследование технологии получения монокристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на установках типа СЗВН-155Э2, СЗВН 175» №13403, № ГР 01201051745., 2009 г.: «Разработка и исследование технологии получения монокристаллического кремния для электронной техники» №13409, № ГР 01201051746.
Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии: ООО «Завод Кристалл» (Россия, г. Таганрог), на предприятии ООО «Кристаллограф» (Россия, г. Таганрог), на предприятии ООО «Кремний- Юг» а также, используются в учебном процессе на кафедрах КЭС ТТИ ЮФУ и ТМиНа ТТИ ЮФУ.
Апробация работы
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: на десятой международной научно- технической конференции и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» ПЭМ'Об (Россия, Таганрог, ТРТУ, 2006); 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», МИЭТ (Россия, Москва, 2007 г.); XI научной молодёжной школе по твердотельной электронике "Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика" (Россия, Санкт - Петербург (ЛЭТИ) 24 - 25 мая 2008 г.); 16- й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2009», МИЭТ (Россия, Москва, 2009г.); 9-й международной научной конференции «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, Нанотехнологии» (Россия, Кисловодск, 2009г.).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, из них 8 статей и 5 работ в сборниках трудов конференций, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК. Подана заявка на патент.
Материалы диссертации также использовали в отчете ООО «Завод Кристалл» г. Таганрог, Россия, по госконтракту «Развитие производства кристаллов диэлектриков и изделий из них» 2007г.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 1 приложения.
Содержание диссертации изложено на 156 страницах и включает 49 страниц с рисунками, 6 страниц с таблицами и список использованных источников, включающий 125 наименований. В приложении содержатся акты
внедрения результатов диссертационнойфаботы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи выполненных исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и структуре.диссертации.
В первой главе проведен обзор литературных источников, проанализированы современные проблемы выращивания кристаллов сапфира, описаны дефекты структуры монокристалла, проанализировано влияние параметров роста на наличие дефектов в кристаллах сапфира, проведен анализ современного состояния проблемы изготовления подложек для электронной техники, рассмотрено одно из перспективных направлений использования подложек из сапфира в микроэлектронике - датчик давления на основе структуры «кремний-на-сапфире».
На основании сделанных выводов выбрано направление исследования и осуществлена постановка цели и задач диссертационного исследования.
Во второй главе приведены и выбраны оптимальные методики, используемые для исследования монокристаллов сапфира и поверхности подложек, изготовленных из них.
В третьей главе проведено численное моделирование процессов теплообмена при выращивании кристаллов сапфира методом ГНК, изучено, влияние теплофизических свойств материалов, используемых при выращивании кристаллов сапфира и условий выращивания на процесс кристаллизации, а также влияние изменения мощности нагревателя на качество кристаллов сапфира, выращиваемых методом ГНК.
В четвертой главе проведено экспериментальное исследование температурных полей в установке для выращивания монокристаллов типа СЗВН и кристалле сапфира на различных этапах роста.
В пятой главе разработана технология изготовления элементов из
монокристаллов сапфира для электронной техники, использование которой
позволяет подготовить высококачественные, структурно совершенные
бездефектные поверхности подложек с сохранением требуемых
геометрических параметров (плоскостности и параллельности сторон образца), пригодные для дальнейшего использования в процессах эпитаксиального наращивания. Разработанная технологическая схема включает следующие стадии: ориентированная резка монокристаллического блока кристалла сапфира - на пластины в заданной кристаллографической плоскости, определение и выделение монокристаллических областей с требуемыми размерами и структурными параметрами, придание пластинам заданной формы, двухсторонняя шлифовка и полировка, последующая двухсторонняя химико-механическая полировка для удаления нарушенного слоя и подготовки поверхности, пригодной для использования в микроэлектронике. Разработан датчик давления, включающий полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире», который может быть применен для измерения абсолютного, избыточного и разности давлений.
В заключении приведены основные результаты работы.
Особенности теоретического решения задач радиационно — кондуктивного теплообмена в процессе роста монокристаллов
Критерием совершенства структуры кристаллов является плотность точечных дефектов, одиночных дислокаций и их скоплений, макро- и микроблочность, наличие включений.
В ионных кристаллах содержится либо эквивалентное число анионных и катионных вакансий (дефекты по-Шоттки), либо на каждую ионную вакансию приходится ион того же знака в междоузлии (дефекты по Френкелю) [11]. В отличие от дефектов по Френкелю, образующихся во всем объеме кристалла, дефекты по Шоттки возникают в основном лишь на свободной поверхности, на границах блоков и дислокациях с последующей их диффузией в объем. Точечные дефекты образуются при росте, деформации и термообработке кристаллов. В реальных условиях концентрация точечных дефектов не равновесна, что связано с восстановительными условиями при росте и отжиге, «замораживанием» части вакансий при охлаждении, действием ионизирующего излучения. Среда выращивания и отжига - важнейший фактор, определяющий появление (исчезновение) точечных дефектов. В методе ГНК сапфир выращивают в вакууме (1-7)-10"2Па, или (8 10"5-5 10"4) мм.рт.ст., который является восстановительной средой. В результате чего создается дефицит кислорода в кристалле [8, 12].
Другими дефектами, на которые необходимо обратить внимание, являются одиночные дислокации и их скопления [13, 14]. Существует несколько механизмов образования дислокаций при выращивании кристаллов из расплава: прорастание дислокаций из затравочного кристалла, а также дислокаций, возникающих в процессе выращивания [15, 16]; пластическая деформация под действием термоупругих напряжений [17]; захват растущим кристаллом примеси, то есть примесный механизм; дискообразное скопление вакансий и их последующее захлопывание! с образованием дислокационных петель, то есть вакансионный механизм; некогерентное срастание в условиях неполного соответствия зародышей, слоев роста, ветвей дендритов [8, 18, 19].
Интерес представляет макроскопическая теория образования напряжений и дислокаций [18, 20]. В ней предполагается, что остаточные напряжения равны рассеявшимся термоупругим, взятым с обратным знаком. Эта теория рассматривает влияние только осевого градиента температуры на образование дислокаций. Однако управлять структурным совершенством сапфира можно и варьированием радиального градиента — градиента температуры, перпендикулярного направлению выращивания. Так могут быть выращены кристаллы с различным распределением . р в плоскостях, параллельных направлению выращивания и перпендикулярных к нему. Например, выращенные методом ГНК при градиенте температуры между верхней и нижней поверхностями пластины сапфира характеризуются минимумом р в центральной части кристалла. Такое же распределение дислокаций характерно для плоскостей, параллельных направлению выращивания [21].
Таким образом, механизм пластической деформации за фронтом кристаллизации играет превалирующую роль как в «выживании» кристаллов, так и в формировании их дислокационной структуры.
Одними из наиболее существенных дефектов в кристаллах являются микро- и макроблочность. Анализ блочности различных кристаллов позволил выявить следующие механизмы ее образования: вакансионный, примесный, наследование границ затравочного кристалла, полигонизационный, некогерентное срастание слоев [22, 23].
Выявлено, что роль вакансионного и примесного механизмов в образовании границ блоков невелика [8]. Малоугловые границы могут образовываться в результате полигонизации, происходящей путем переползания дислокаций и/или взаимодействия скользящих под действием термоупругих напряжений дислокаций, когда их плотность достигает критического значения [8]: (1.1) где с1 — поперечный размер кристалла; / расстояние между дислокациями; (р — угол между направлением скольжения дислокаций и плоскостью, « перпендикулярной к оси выращиваемого кристалла. Для ГНК РэкСП (2-3)-104 см2, ртеор 1-104 см2 [8].
В формуле для ркр учитывается лишь ширина зоны пластичности, определяемая Т . В действительности, важна не столько к, сколько время пребывания в этой зоне, зависящее от градиента Т и скорости выращивания, а так же подвижности дислокаций в зоне пластичности.
Управление размером безблочной зоны сводится к управлению плотностью дислокаций. Если коэффициент наследования дефектов близок к нулю и плотность дислокаций, возникающих под действием термоупругих напряжений меньше критического значения, то инкубационный период до появления первых малоугловых границ достаточно велик. Так, уменьшение Т"(х) позволяет увеличить инкубационный период и получить участок безблочного сапфира большой длины.
Причиной образования блоков в растущем кристалле может являться некогерентное срастание зародышей [23]. При кристаллизации на поверхности раздела фаз в различных точках образуются зародыши. Слои, растущие от зародышей, могут подойти к месту стыка несколько разориентированными, и при их срастании образуются малоугловые границы. Это явление часто наблюдается при вогнутом фронте кристаллизации, когда двухмерные зародыши образуются на периферийных участках фронта, разрастаются к центру и возникают границы блоков.
Общим условием образования пор в кристалле является пресыщенность расплава растворенными газами, главный источник газонасыщенности диссоциация расплава, а также взаимодействие расплава с примесями в шихте, тиглем, средой [24]. Пузырек размером меньше критического отталкивается фронтом кристаллизации. При слабом перемешивании жидкости концентрационное уплотнение [8, 25] и увеличение размеров пузырьков приводят к их контакту с фронтом- кристаллизации и удерживанию силами 18 поверхностного натяжения. Так как рост кристалла над пузырьком затруднен, то в твердой фазе образуется пора. Вдали от фронта расплав насыщен растворенными продуктами диссоциации, эффективная концентрация которых Со вблизи движущегося фронта кристаллизации несомненно выше. Из оценок некоторых авторов следует, что порог метастабильности, т.е. пресыщение, выше которого должно наблюдаться зарождение газовых пузырей, для А12Оз составляет 90%, что соответствует концентрации 1,9С0 [8]. С другой стороны, в неперемешиваемом расплаве установившаяся концентрация газообразных компонент на фронте кристаллизации Сф=С0/Кр (где Кр - коэффициент распределения газообразных 2 3 примесей), что при Кр (10 „.10) в условиях слабого перемешивания равно (100... 100.0) Со эта величина намного превышает порог метастабильности, т.е. в неперемешиваемом расплаве всегда должны возникать пузыри.
Поляризационно - оптический способ измерения остаточных напряжений
В последние годы ускоренное развитие получили микроэлектронные датчики различных физических величин, что связано, в первую очередь, с непрерывно растущими потребностями промышленности в точных измерениях. Микроэлектронная технология позволяет обеспечить массовое производство средств получения информации - датчиков [69].
Метрологические характеристики тензорезисторного датчика определяются главным образом параметрами его основной , части - тензопреобразователя (ТП), осуществляющего преобразование измеряемой механической величины в выходной электрический сигнал. Достоинства и недостатки полупроводниковых тензопреобразователей приведены в табл. 1.4.
Для борьбы с этими недостатками разработано большое количество конструктивных и схемных методов компенсации погрешностей ТП, позволяющих изготавливать в настоящее время датчики, работающие в интервале температур (-50 - +125)С с основной погрешностью 0,5% и дополнительной температурной погрешностью (0,1 - 0,4)% на каждые 10С. Вместе с тем, трудоемкая индивидуальная настройка датчиков, необходимая для получения высоких метрологических характеристик, повышает их стоимость и ограничивает объем производства. Указанные недостатки обусловили ограниченность применения полупроводниковых тензорезисторных датчиков в современных системах контроля и управления технологическими процессами, хотя объем производства таких датчиков за рубежом непрерывно растет, что связано, в первую очередь, с массовым потреблением не очень точных, но сравнительно недорогих тензорезисторных датчиков автомобильной промышленностью [70].
Большими достоинствами с точки зрения стабильности и точности при работе в жестких условиях эксплуатации (высокие и низкие температуры, ионизирующие излучения и др.) обладают тензорезисторные чувствительные элементы на основе структур «кремний на сапфире» (КНС) [71]. На базе этих чувствительных элементов разработаны и выпускаются ряд датчиков давления в России [70, 72-75] и за рубежом [76]. Датчики, изготовленные по технологии КНС содержат р+-поликремниевый тонкопленочный тензорезистивный мост, сформированный на тонкой сапфировой подложке (сенсоры датчиков «Сапфир 22», «Метран 43» и др.) [77-80]. Схематическое изображение датчика подобного типа представлено на рис. 1.9.
Использование в качестве материала корпуса коррозионностойкого титанового сплава благоприятствует работе датчика без дополнительной пассивной мембраны. Толщина мембраны и геометрическая форма резисторов определяется областью необходимых давлений.
Тензопреобразователи с ЧЭ на основе структур КНС обладают всеми достоинствами ТП с интегральными кремниевыми ЧЭ (табл. 1.4). Вместе с тем, ЧЭ на основе КНС имеют дополнительные преимущества, ибо сапфир прочнее и жестче кремния и обладает отличными упругими и изолирующими свойствами вплоть до температур порядка 1000С. Такие ЧЭ работоспособны в самых жестких условиях эксплуатации при широком интервале рабочих температур, и обладают повышенной надежностью и стабильностью параметров. Детальные исследования [72] особенностей электрофизических характеристик и тензоэффекта в структурах КНС показали, что на их основе можно создавать тензопреобразователи с малой температурной погрешностью и высокой линейностью преобразования, то есть свободные от недостатков, принципиально присущих ТП с интегральными кремниевыми ЧЭ.
Тензопреобразователи с металлическими упругими элементами обладают высокой надежностью в самых тяжелых условиях эксплуатации; даже при разрушении ЧЭ тензопреобразователи сохраняют герметичность. Металлическим упругим элементам можно легко придавать любые размеры и форму, обеспечивая высокую линейность упругого преобразования, а используемые ЧЭ могут быть унифицированными и иметь простейшую конфигурацию, удобную для массового, производства на стандартном оборудовании. Разработанная технология жесткой пайки ЧЭ на металлические упругие элементы [82] обеспечивает полную передачу деформации от упругого элемента к ЧЭ. Однако упругая мембрана содержит три слоя разнородных материалов (титановый сплав, серебряный припой, сапфировая пластина). Несмотря на близость КЛТР титанового сплава и сапфира, мембрана находится в механически напряженном состоянии (за счет охлаждения после сплавного процесса формирования мембраны при температуре 900С). Механически напряженное состояние склонно к медленной релаксации за счет пластических деформаций в припое. Медленное развитие пластических деформаций в припое возможно также при длительном воздействии давления. Итогом таких деформаций может стать долговременная нестабильность параметров сенсора [83]. Другим недостатком является температурная чувствительность, которую в большинстве случаев можно скомпенсировать [84].
Основными требованиями, предъявляемыми к современным датчикам, являются: высокая стабильность характеристик во времени, высокая надежность, работоспособность в жестких условиях эксплуатации, высокая точность, минимальная трудоемкость производства. Поскольку эти требования противоречивы, при разработке датчиков приходится идти на компромисс, выбирая оптимальное сочетание параметров. Это оптимальное сочетание обеспечивается конструкцией, используемой технологией и электронной схемой датчика.
В датчиках давления используются как различные методы физико- конструктивной и физико-технологической оптимизации тензопреобразователей, использующие особенности структур КНС, так и схемотехнические методы[81, 84 — 87].
Анализ литературных источников позволяет сделать следующие выводы: 1) по сравнению с другими методами выращивания сапфира, метод горизонтальной направленной кристаллизации не требует сложного и дорогого оборудования, позволяет выращивать крупногабаритные кристаллы любой кристаллографической ориентации и использовать дешевое сырье с более высокой концентрацией примесей благодаря эффективному их испарению в процессе кристаллизации расплава; 2) на качество растущих кристаллов оказывают влияние температурные условия в ростовой установке и зависимость свойств материалов, используемых при выращивании кристаллов сапфира от температуры; 3) для разработки модели, максимально приближенной к реальному процессу, необходимо учитывать следующие факторы: а) зависимость свойств материалов от температуры и частоты излучения, б) наличие вакуумных зазоров между полупрозрачным изделием и непрозрачной стенкой, в) наличие межфазной границы в слое и ее движение в задаче Стефана, г) смешанный зеркально-диффузионный характер отражения излучения непрозрачными границами, зеркально — диффузионный характер преломления и отражения на межфазной границе слоя; 4) для проектирования эффективных и рациональных технологических процессов изготовления интегральных схем на этапе изготовления подложки необходимо установить оптимальные условия механической обработки, позволяющие получить минимальную шероховатость полированной поверхности в условиях конкретного производства; 5) отсутствие недостатков интегральных кремниевых чувствительных элементов и наличие достоинств, обеспечиваемых свойствами сапфира, оправдывает применение структур КНС в качестве преобразователей механических величин.
Влияние теплофизических процессов, происходящих при росте кристалла сапфира на наличие пузырей;в кристалле
Для разработки и корректировки технологических режимов выращивания монокристаллов методом ГНК, а также для возможности усовершенствования конструкции теплового узла необходимо иметь представление о распределении температуры в кристаллизационной камере в процессе выращивания. С целью получения полной информации о тепловых условиях в тепловом узле кристаллизационной печи типа СЗВН было проведено детальное исследование температурного поля в системе расплав — кристалл сапфира [113] и на всех, наиболее важных конструкционных элементах теплового узла электропечи [114]. Первая серия экспериментов была проведена на выращенных кристаллах, которые размещались в зоне отжига теплового узла таким образом, что хвостовая часть кристалла в молибденовом тигле располагалась на выходе из нагревателя (то есть совпадала со срезом крайнего правого витка нагревателя). Это положение кристалла соответствует окончанию стадии кристаллизации и началу стадии отжига. Для исследования формирования температурного поля в кристалле сапфира и условий его теплообмена с окружающими поверхностями, а также величины перепада температуры по толщине кристалла, на верхнем внутреннем экране и между тиглем и поддоном было установлено 8 термопар типа BP 5/20. Схема части теплового узла, положение тигля и термопар в нем показана на рис. 4.1 .
Измерения проводились следующим образом. По, достижении стационарного режима на определенном уровне мощности нагревателя проводилось сканирование температурного поля по поверхности кристалла ИК — пирометром. Полное сканирование температурного поля на всю длину кристалла осуществлялось за 60-70с, причем смотровое окно открывалось только на время проведения измерений. В каждой точке поверхности снималось не менее 25-30 значений температуры с дискретностью 1сек. Затем
М переходили на следующий уровень мощности. Измерения проводились на 5 уровнях мощности нагревателя от 10 до 35 кВт. При достижении 35,1 кВт хвостовая часть кристалла начинала плавиться и в этот момент определялся сигнал пирометра на границе раздела фаз, то есть в каждом эксперименте определялась опорная точка градуировочной кривой - точка плавления сапфира, которая является вторичной реперной точкой МПТШ длине. Кривые 1-4 относятся к меньшему кристаллу, а кривые Г, 3 - к большему. Из приведенных графиков видно, что с ростом мощности характер кривых не изменяется. Однако при изменении размера кристалла (при переходе к большему размеру) характер температурного поля заметно меняется. При одном и том же уровне мощности величина температурного градиента в средней части большего кристалла оказывается выше, тогда как в носовой и хвостовой частях кристалла кривые температурного распределения практически эквидистантны друг другу и отмечается лишь общее снижение температурного уровня на всей длине кристалла.Т,К
Принимая во внимание, что интегральное поглощение сапфира при данных температурах составляет (0,3-0,5) см"1, видно, что наиболее существенное изменение температурного поля приходится на область, где достигаются условия оптически толстого слоя, то есть Кё»1 в направлении выращивания кристалла. В этом случае теплообмен в носовой части кристалла с окружающим пространством оказывает незначительное влияние на формирование температурного поля в области фронта кристаллизации. В конкретных условиях при длине кристалла 320мм носовая его часть выходит из патрубка на 50мм, что приводит к резкому снижению его температуры и вследствие высокой прозрачности сапфира, возрастает радиационный поток через кристалл. Аналогичные изменения для кристаллов различного размера наблюдаются и в температурном распределении по дну тигля и по верхнему экрану зоны отжига (рис. 4.3, 4.4). Таким образом, подтверждаются результаты моделирования в предыдущем разделе главы, показавшие, что в технологическом процессе ГНК закристаллизовавшаяся часть сапфира работает как светопровод и определяющим является радиационный поток по кристаллу в направлении выращивания [6].
Влияние теплового пространства печи для выращивания кристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на условия теплообмена в процессе кристаллизации
На основании вышеизложенного материала разработан технологический маршрут изготовления пластин-подложек А1203. 1. Ориентация торца слитка — определение разориентации (угла отклонения) плоскости торца слитка от главной кристаллографической плоскости. Это необходимо, чтобы перед резкой на пластины слиток закрепить в станке относительно режущего инструмента с учетом этой разориентации. Тогда поверхности всех отрезаемых пластин будут одинаково ориентированы. 2. Ориентация направления базового среза — необходима для одинаковой ориентации пластин в технологических установках. 3. Получение дополнительных срезов - необходимо для выполнения сортировки пластин в случае, если их перемешают. 4. Наклеивание слитка для закрепления в станке резки. 5. Резка слитка на пластины. 6. Очистка пластин для удаления загрязнений, полученных на предыдущих операциях. 7. Шлифование пластин для уменьшения разброса значений толщины, улучшения плоскостности и параллельности сторон пластин, уменьшения шероховатости их поверхности. 8. Очистка пластин от загрязнений, полученных на предыдущих операциях. 9. Снятие фаски с периферийной части поверхности пластин — уменьшает вероятность образования сколов, трещин, а в дальнейших высокотемпературных процессах формирования структур, появления дислокаций и механических напряжений, которые приводят к увеличению плотности дефектов, снижению процента выхода годных, а иногда и к разрушению пластин. 10. Травление пластин 11. Полирование пластин - операция доводки после шлифования и снятия фаски, выполняется для улучшения точности и качества обработки поверхности, для получения зеркально гладкой поверхности с классом шероховатости 14 и выше. 12.
Очистка пластин. 13. Контроль пластин на соответствие геометрических параметров и качества поверхности установленным нормам. 14. Упаковка пластин в тару для хранения и транспортировки в цех изготовления структур микросхем. Комплексная технологическая схема изготовления, пластин-подложек А1203, включающая выращивание кристаллов и собственно изготовление подложек представлена на рисунке 5.6. В табл. 5.7 приведены основные технические данные подложек, изготовленных на ООО «Завод Кристалл» по разработанной технологии в сравнении с другими производителями. Сравнительная таблица основных технических данных подложек Параллельность, мин Разнотол- щинность (ТТУ), мкм Коробление (ЧУАКР), мкм Неплоскостность, мкм/см Шероховатостьрабочих поверхностей (Ла) нм Одним из применений сапфировых подложек в микроэлектронной технике является изготовление датчиков нёэлектрических" величин на основе структуры «кремний-на-сапфире». В работе разработан тензорезистивный датчик давления на основе технологии «кремний на сапфире» [118]. Тензорезистивный сенсор на основе структуры «кремний на сапфире» использует эффекты тензочувствительности слоев 81. Конструкция чувствительного элемента представляет собой мембрану, выполненную из кристалла сапфира, которая используется в качестве упругого элемента, на котором размещены кремниевые тензорезисторы, соединенные в измерительный мост. Конструкция датчика давления, разработанного в" рамках настоящей работы представлена на рис. 5.7.
Выращивание КНС - структуры проводили методом молекулярно - лучевой эпитаксии (МЛЭ). Метод сублимационной МЛЭ позволяет выращивать структурно совершенные тонкие (0,5мкм) слои кремния на сапфире, в том числе слои, легированные эрбием и люминесцирующие на длине волны 1,54 мкм. При низких температурах роста сводится к минимуму влияние разницы коэффициентов термического 117 расширения этих материалов и уменьшается плотность дефектов в эпитаксиальных слоях. Подложками служили пластины сапфира с ориентацией (1102). Перед осаждением слоев кремния пластины отжигались при температуре 1300С в течение 60 минут непосредственно в ростовой камере. Предэпитаксиальный отжиг подложки до температуры 1400С позволяет удалить с поверхности сапфира углеродные и кислородные загрязнения и обеспечивает высокое структурное совершенство приповерхностной области слоя 81. На подложках происходит послойное наращивание. Потоки атомов 81 формируются при -в качестве изоляции используется кристалл сапфира, что позволяет, в отличие . от изоляции р-п-переходами, существенно повысить эксплуатационные характеристики прибора; -однородное легирование слоя кремния позволяет эффективно управлять характеристиками прибора; -при размещении тензорезисторов используется тангенциальное расположение резисторов, которое обеспечивает равномерное распределение механических напряжений по тензорезистору; -для термокомпенсации используется ток протекающий через измерительную схему; -для коррекции измерительного моста введена линейка подгоночных резисторов.
При. разработке технологического процесса изготовления любого микроэлектронного прибора необходимым условием должно быть использование стандартной технологии. Основными технологическими особенностями изготовления чувствительного элемента преобразователя давления являются [120]: -получение слоев кремния.на сапфировой подложке с использованием технологии молекулярно — лучевой эпитаксии, что позволяет реализовать процесс осаждения химически и структурно упорядоченных слоев 81 на инородную подложку при низкой для технологии кремния температуре — менее 700 - 750 С (это важно, так как при высокотемпературном газофазном эпитаксиальном росте КНС-структур из-за значительного различия -1 коэффициентов термического расширения кремния и сапфира (35-10" против 7 1 80-10" град" ) в слоях кремния при их росте возникают большие механические напряжения и это приводит к низкому качеству гетероэпитаксиальных слоев кремния: плотность дислокаций в. слоях составляет 108-1012 см 2.
Кроме того, в процессе роста кремния на сапфире методом газофазной эпитаксии происходит автолегирование слоя кремния алюминием) [121]; -избирательное локальное травление слоев кремния по заданному топологическому рисунку, осуществляемое методом избирательного анизотропного травления кремния с помощью оксидной маски. В конструкции разработанного «планарного» чувствительного элемента преобразователя давления контактные площадки вынесены из зоны измерений, при этом токоразводка до контактных площадок осуществляется в виде длинных линий коммутации , изготавливаемых из того же материала, что и контактные площадки. Таким образом, удаление зоны чувствительного элемента от узла сопряжения с корпусом позволяет осуществить термомеханическую развязку и защитить контакты от внешних воздействий (рис. 5.7, б). Электрическая схема чувствительного элемента, имеет замкнутый измерительный мост. Контроль температуры здесь ведется по величине тока; 119 протекающего через мостовую схему. Для подгонки измерительного моста и термокомпенсации в схему введена линейка подгоночных резисторов, включенных в противолежащие плечи моста и вынесенных на одну сторону кристалла. Это не только позволяет правильно сбалансировать схему, но также исключить возможность возникновения теплового разбаланса, так как все резисторы находятся в одинаковых условиях. В результате реализована конструкция датчика давления на основе структуры «кремний на сапфире», обладающая повышенными эксплуатационными характеристиками.
