книги / Оборудование для производства полупроводниковых диодов и триодов
..pdfОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ диодов И ТРИОДОВ
Под редакцией П. Н. М А С Л Е Н Н И К О В А
ф « Э Н Е Р Г ИЯ » • МОСКВА 1970
УДК 621.382.002
6Ф0.32
022
О 22 Оборудование для производства полупроводни ковых диодов и триодов, под редакцией П. Н. Мас ленникова, М., «Энергия», 1970.
184 с. с нлл.
Книга знакомит с технологическим и контрольно-измерительным оборудованием, применяемым в производстве полупроводниковых при боров и твердых схем. Описаны конструкции и приведены основные ха рактеристики наиболее широко используемого в полупроводниковой промышленности оборудования; даются основные сведения по техноло гии полупроводникового производства.
Значительнее внимание уделено вопросам механизации и автома тизации полупроводникового производства, перспективным направле ниям механизации и автоматизации, описаны наиболее характерные комплексно-механизированные линии.
Книга рассчитана на инженеров и техников, связанных с произ водством полупроводниковых приборов и твердых схем, а также на студентов вузов и техникумов соответствующего профиля.
3-3-12
6Ф0.32
298-69
П. Н. Масленников, Б. И. Симакин, |
Г. И. Холин, Л . Ф. Шевченко, |
|
||||
М. М. Бабушкин, И. В. Борисовский, М. В. Высоцкий, Д. В. Горлов, |
|
|||||
С. В. Ключанцев, В. А. Назаров, А. Я. Новак, С. С. Петров, |
|
|||||
Ю. Н. Романцов, Э. С. Соломбеков |
|
|
|
|
||
ОБОРУДОВАНИЕ |
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ |
д и о д о в |
ТРИОДОВ |
|||
Редактор |
Л. Е. Ч е р н я к |
|
|
|
|
|
Переплет |
художника |
А. А. И в а н о в а |
|
|
|
|
Технический редактор |
Л. М. К у з н е ц о в а |
|
|
|
|
|
Корректор Я. В. Лобанова |
|
|
|
|
||
Сдано в набор 3/Х1 196) г. |
|
Подписано к печати 27/1V 1970 г. |
|
т-06341 |
||
Формат 81хЮ8'/,( |
Бумага типографская № 1 |
|
Уел. печ. |
|
ч.-нз 1. л. 21,95 |
|
Тираж 10000 экз. |
|
|
Цена 1 |
р. 43 кон. |
|
Эак. 2508 |
|
Издательство «Энергия». Москва, |
Ж-114. |
Шлюзовая наб., |
10. |
|
Московская типография № 10 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР.
Шлюзовая наб.. 10.
ПРЕДИСЛОВИЕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Развитие современной |
полупроводниковой |
Книга, по мнению авторов, может оказать |
||||||||||||||||||
промышленности неразрывно связано с созда |
ся полезной не только |
работникам |
полупро |
|||||||||||||||||
нием |
нового и непрерывным совершенствова |
водниковой промышленности, но и студентам |
||||||||||||||||||
нием |
технологического и измерительного обо |
•вузов и техникумов соответствующих спе |
||||||||||||||||||
рудования, |
преимущественно |
полуавтомати |
циальностей, которые смогут ее использовать |
|||||||||||||||||
ческого и автоматического, а также поточных |
при |
курсовом и дипломном |
проектировании, |
|||||||||||||||||
и комплексно-механизированных линий, на ба |
а также |
как факультативный материал. |
|
|||||||||||||||||
зе внедрения которых обеспечивается коренное |
Авторы |
выражают |
признательность всем |
|||||||||||||||||
улучшение организации и технологии полупро |
||||||||||||||||||||
коллективам и лицам, |
любезно |
предоставив |
||||||||||||||||||
водникового |
производства. В связи с быстры |
шим |
'материалы |
для |
книги, |
в том |
числе |
|||||||||||||
ми темпами |
роста |
полупроводниковой |
про |
|||||||||||||||||
А. Ф. Трутко, В. Г. Колесникову, В. И. Царен |
||||||||||||||||||||
мышленности в последнее |
время |
остро |
ощу |
|||||||||||||||||
ко, |
С. |
А. |
Дохману, |
Б. |
С. |
Савровскому, |
||||||||||||||
щается |
потребность |
в литературе, |
посвящен |
И. Г |
Блинову, а также рецензенту Д. Б. Зво |
|||||||||||||||
ной |
оборудованию |
для |
полупроводникового |
|||||||||||||||||
рыкину |
за |
ценные |
советы |
и |
замечания, |
сде |
||||||||||||||
производства. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
ланные в процессе подготовки |
рукописи к из |
||||||||||||||
Настоящая книга в какой-то |
мере должна |
|||||||||||||||||||
данию. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
восполнить пробел, |
имеющийся |
в |
этой |
обла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Считаем |
своим |
долгом |
отметить |
большую |
||||||||||||||||
сти. В книге, |
наряду с описанием |
конструк |
||||||||||||||||||
помощь, оказанную при оформлении рукописи |
||||||||||||||||||||
тивных |
особенностей различных |
установок, |
||||||||||||||||||
со стороны |
М. В. Новикова, |
В. П. Быковой, |
||||||||||||||||||
сделана |
попытка дать анализ развития произ |
|||||||||||||||||||
Д. Б. Новак, И. А. Баскакова. |
|
|
|
|||||||||||||||||
водства |
полупроводниковых приборов и осве |
|
|
|
||||||||||||||||
Авторы с благодарностью примут все заме |
||||||||||||||||||||
тить основные тенденции в области его комп |
||||||||||||||||||||
чания и предложения читателей, направленные |
||||||||||||||||||||
лексной механизации и автоматизации. |
|
|||||||||||||||||||
|
на устранение всех возможных |
недостатков |
||||||||||||||||||
Авторы при подборе материалов ориентиро |
вались на наиболее прогрессивное уже дейст |
книги. |
|
|
вующее оборудование. |
|
ВВЕДЕНИЕ
В-1. РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Развитие полупроводниковой техники привело к созданию новой отрасли промышленности, обеспечи вающей выпуск широкой номенклатуры полупроводни ковых приборов. Разработка и промышленное произ водство этих приборов потребовали создания большого количества новых технологических процессов и прие мов. Были разработаны методы получения р-л-перехо- дов в слитках, а затем и сплавлением, что позволило организовать производство тянутых и сплавных герма ниевых транзисторов. Особое значение для развития технологии кремниевых полупроводниковых приборов имели методы бестигельнон зонной очистки слитков и диффузии примесей. Диффузионные методы оказались лучшими среди управляемых методов создания р-п-пе реходов. Разработаны и другие различные технологиче ские методы (мезатехнология, сплавление-диффузия, защита кремния окислом, особые методы обработки поверхности, планарная технология, эпитаксиальное на ращивание, методы фотолитографии и др.), которые легли в основу современной промышленной технологии производства полупроводниковых приборов.
Успехи в разработке и применении различных по лупроводниковых приборов, совершенствование техно логии их изготовления, создание интегральных полу проводниковых схем сделали возможным решение за дачи микроминиатюризации радиоэлектронной аппара туры на основе пленочной электроники. Следует отме тить, что основные технологические приемы производ ства приборов, в том числе получение тонких пленок, фотолитография, меза- и планарная технология явля ются общими как для дискретных приборов, так и ми кроэлектронных схем [Л. 22].
В-2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ. ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ д и о д о в И ТРИОДОВ
Понятие полупроводниковые приборы объединяет большую группу приборов, выполненных на основе твердого тела: диоды, транзисторы, фоточувствительные и преобразовательные приборы, полупроводнико вые излучатели и др.
Полупроводниковым диодом называется прибор, принцип действия которого основан на использовании свойств электронно-дырочного перехода или поверхно
стного потенциального барьера кристалла полупровод ника. Диод имеет два внешних вывода.
Транзистором называется полупроводниковый при бор с электронно-дырочными переходами, предназна ченный для усиления или генерирования электрических сигналов. Транзисторы могут быть двух- и многопе реходными. Двухпереходный транзистор называется по лупроводниковым триодом. Он имеет три внешних вы вода.
В производстве диодов и триодов достигнут наи более высокий уровень механизации по сравнению с другими полупроводниковыми приборами, что обес печено широким использованием специального техноло
гического |
и контрольно-измерительного оборудования |
||||
на |
всем |
протяжении |
технологического |
процесса — от |
|
входного |
контроля материалов |
до упаковки готовых |
|||
приборов. |
|
|
|
|
|
|
На рис. В-1 дается схема классификации приборов |
||||
по |
группам, в основе |
которой |
лежит |
учет технологи |
ческих особенностей. Возможна классификация также по другим признакам: рабочей частоте, областям при
менения |
и т. |
д. |
Существуют также |
многочисленные |
||
разновидности |
приборов, |
создаваемые |
комбинацией |
|||
основных |
технологических |
методов получения |
перехо |
|||
дов (сплавно-диффузионные, меза-планарные, |
планар |
|||||
но-эпитаксиальные |
и др.). |
|
|
|
Полупроводниковые диоды и триоды состоят из ряда элементов, общих по назначению для всех типов полупроводниковых приборов. Основным элементом полупроводникового прибора является кристалл круг лой или прямоугольной формы с образованными в нем р-л-переходами. Для защиты от внешних воздействий и улучшения теплоотвода кристалл помещают в корпус, конструктивные особенности которого определяются типом прибора. Корпуса маломощных диодов (обычно стеклянные различных размеров), корпуса мощных диодов и триодов (металлостеклянные) состоят из баллона и ножки. Приборы имеют внутренние и на ружные выводы для электрических соединений. Кри сталл припаивается или непосредственно к ножке или к кристаллодержателю.
Для защиты переходов от воздействий при сборке
приборов |
их покрывают |
различными |
лаками. Иногда |
в корпус |
прибора перед |
герметизацией |
закладывается |
силикагель или цеолит в виде таблетки или смеси ва зелин-цеолит для поглощения паров влаги, проникаю щих внутрь корпуса при хранении и эксплуатации при боров. Наружная поверхность корпуса покрывается эмалью или никелируется. После герметизации, окраски и проверки электрических параметров приборы марки руются, т. е. на корпус наносится клеймо, содержащее
Рнс. В-1. Классификация полупроводниковых приборов.
товарный знак, обозначение типа прибора и дату вы пуска.
Остановимся кратко на устройстве н конструктив ных особенностях основных типов полупроводниковых приборов.
Диоды. Наиболее массовые группы полупроводни ковых диодов — точечные и плоскостные (сплавные и диффузионные). В группу точечных приборов входят высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды, им пульсные и преобразовательные диоды на основе гер мания и кремния. В группу плоскостных входят низ кочастотные выпрямительные и импульсные диоды на основе германия и кремния, кремниевые стабилитроны, варикапы на основе германия и арсенида галлия и туннельные диоды на основе германия, кремния и ар сенида галлия.
Точечные диоды получили широкое распростране ние благодаря технологической простоте их изготов ления и низкой стоимости.
На рис. В-2 схематически показаны типичные кон струкции точечных диодов. Диод состоит из кристалла
/ германия или кремния, припаянного к крнсталлодержателю 2, контактного электрода 3 в виде тонкой ме таллической заостренной иглы и баллона 4.
Корпус (баллон) диодов типов Д2 и ДЮ4 пред
ставляет |
собой стеклянную трубку с |
приваренными |
к ней по |
торцам коваровыми втулками |
5. Полупро |
водниковый кристалл напаивается на достаточно мас сивный никелевый кристаллодержатель, который встав ляется в баллон и спаивается с коваровой втулкой низкотемпературным припоем. С противоположной сто роны в баллон впаивается другой аналогичный элек трод, несущий на себе контактную иглу. Внешние вы
воды 6 обычно |
круглые (диаметр 0,6 |
мм), |
иногда |
||
ленточные; |
они |
изготовляются из |
никеля |
или |
плати |
нита. |
|
|
|
|
|
В цельностеклянных корпусах приборов типа Д9 |
|||||
кристалл |
обычно припаивается |
низкотемпературным |
припоем непосредственно к торцу платинитового вывода, находящемуся внутри баллона. Иногда между кристал лом и торцом вывода для термосогласования поме щается очень тонкая коваровая прокладка. Второй
а ) |
6 ) |
в ) |
Рис. В-2. Конструкции точечных диодов. |
|
|
о — германиевый точечный диод типа Д2; 6 — кремниевый точечный диод типа |
Д104: в — германиевый |
|
па Д9. |
|
|
тактной, так и холодной сваркой. Иногда применяются
корпуса |
коаксиальной конструкции, предназначенные |
|||
для монтажа в ВЧ-коаксиальных устройствах. |
|
|||
|
Подробнее |
устройство полупроводниковых |
диодов |
|
и триодов описано в работах ЦЛ. 4, 14, 19, 21, |
23, 25, |
|||
26, |
28, |
33—35, |
38]. |
|
В-3. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И ТРИОДОВ. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИИ
Технологические процессы производства полупро водниковых приборов включают большое число опера ций, которые осуществляются в различной последова тельности или могут неоднократно повторяться, обра зуя полный цикл изготовления (Л. 35]. Кроме основных процессов, применяется ряд вспомогательных, обеспе чивающих необходимые параметры технологических сред и энергоносителей (деионизованной воды, инерт ных газов, водорода, воздуха и др.), а также подготов ку исходных материалов.
Заготовительные процессы предназначены для по лучения металлических деталей, металлостеклянных спаев и электродных сплавов. Производство пластин и кристаллов включает в себя полный комплекс опера ций от ориентации слитков до получения пластин или кристаллов с заданными параметрами, необходимыми для выполнения последующих операций получения пе
реходов. Процессы получения переходов включают опе рации собственно получения р-п-переходов различными методами, травление, защиту переходов и контроль их качества. Сборка приборов включает операции присо единения кристаллов с образованными в них перехода ми к кристаллодержателю или ножке, присоединения выводов к электродам перехода и выводам ножки, по мещения перехода в баллон, герметизации, нанесения внешнего покрытия на корпус, лужения выводов и мар кировки готовых приборов. Контрольно-измерительные и испытательные операции служат для контроля элек трических параметров приборов, проведения механиче ских, климатических и электрических испытаний.
Ниже приведены типовые технологические схемы производства полупроводниковых диодов и триодов (рис. В-6—В-12). Технологические схемы даны приме нительно к характерным представителям массовых ти пов приборов по всем основным технологическим груп пам. Так, на рис. В-7 дана технологическая схема про изводства точечных диодов на примере диода Д18, на рис. В-8 — сплавных диодов на примере диода Д226. Далее приведены технологические схемы производства
триодов: сплавных на примере триода |
МП 13—МП 16 |
(рис. В-9), диффузионных на примере |
триода 2Т301Г |
(рис. В-10), сплавно-диффузионных на примере триодов П401—П415 (рис. В -11) и планарно-эпитаксиальных на примере триода 2Т312А (рис. В-12).
Схема, приведенная на рис. В-12, является типич ной для производства новейших типов триодов, в том
<*)
*)
о)
Рис. В-6. Технологические схемы производства полупроводниковых кристаллов.
а —для точечных приборов; б — для приборов с получением р-п перехода на одиночном кристалле; в —для приборов с групповым получением р-л переходов на пластине.
Рис. В-7. Технологическая схема производства точечных диодов.
Рис. В-9. Технологическая схема производства сплавных триодов.
|
|
|
|
Подготовка |
|
Измерение |
Лакародяа |
|
|
Подготовка |
, |
Измерение |
|||
|
|
|
ояиснойялеккц кварцевойомнулы р Диффузив |
|
чаши » ллас |
|
|
кварцевойампулы |
4Х иЯ * концентрации |
||||||
|
|
|
8 парах |
|
|
|
г |
и су |
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
кислорода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контроль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
__ |
||
|
|
|
Нанесение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Упстнк [ |
|
|
|
Травление |
|
|
|
|
|
Освежение |
\ |
Нанесение |
Замер параметров |
• Герметизаций |
|
истока |
меза- |
меза- |
|
|
|
|
|
ножек |
защитного |
переходовипроверка |
|||||
с* 'п |
площадок |
|
|
|
|
|
и сушка |
* покрытия 1* |
ножек,совранных |
|
|||||
|
|
|
площавку |
и (ушка |
|
|
|
|
|
|
|
и сушка |
по внешнемувиду |
|
|
|
|
|
|
|
|
г з |
г |
_ |
г |
|
|
|
|
|
т т : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'.Изготовление. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
"I |
I |
|
|
|
|
|
бамока |
Знаток |
|
| |
|
Испытание |
Тренировка |
|
|
|
Контроль |
Проверка |
|
Лужение |
|
|
Проверка |
|
|
1 Иаитшше на |
Термоцим- |
|
|
Классификация |
|||||||||
|
|
накз. и |
|
|
» параметров |
стабильным |
|||||||||
Окончательных |
уварепрниностн |
обрывы при |
при*/30°С |
лировакие |
|
герметичности4 |
|
выводов |
|
|
при*(30°с |
||||
|
|
вибрации |
|
|
|
|
Ъо> ?ко>Р |
|
|
|
|
||||
опеотий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Классификация |
Шаркировка, |
Проверка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лакировки ♦ |
внешнего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
и сушка |
вида |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. В -10. Технологическая схема производства |
диффузионных триодов. |
|
|
|
|
|
10