Электротехническое и конструкционное материаловедение

 - дно зоны проводимости, -потолок валентной зоны.

 В скобках указана  темп-ра, соответствующая макс. растворимости.

Для получения  тонких легиров. слоев используется ионная имплантация, позволяющая вводить практически любую примесь и управлять её концентрацией и профилем распределения. Однако в процессе ионного Л. п. возникают точечные дефекты структуры, области разупорядочения решётки, а при больших дозах - аморфизованные слои. Поэтому необходим последующий отжиг. Отжиг проводят при темп-рах, существенно более низких , чем при диффузии (напр., для   700-800 °С).

зованные и потенциальные преимущества ионного легирования позволяют: осуществлять процесс с высокой производительностью; создавать практически любые профили распределения за счет ступенчатого легирования; совмещать процесс легирования с другими технологическими процессами поверхностей обработки кристалла; получать прецизионное формирование профиля полупроводниковых структур. С другой стороны, ионное легирование имеет недостатки и ограничения. Есть определенные трудности в проведении процесса легирования, связанные с нарушениями, созданными ионной бомбардировкой, и окончательным местоположением внедренных ионов. Как правило, необходимо устранить эти нарушения в виде смещенных из узлов кристаллической решетки атомов полупроводниковой мишени и в то же время сделать внедренные атомы примеси электрически активными. Обычно это достигается частичным или полным отжигом. К другим ограничениям следует отнести трудность создания и воспроизведения глубоких легированных областей, сложность обработки больших полупроводниковых пластин из-за расфокусировки при существенных отклонениях ионных пучков.

Большое число регулирующих параметров процесса ионного легирования (доза, тип, энергия ионов, температура  и среда отжига и др.) позволяют  в широких пределах изменять свойства легированных слоев, но наряду с этим требуют глубокого физического  понимания процессов внедрения  ионов, их поведения в кристаллической  решетке, кинетики образования и  устранения радиационных дефектов, что  необходимо для высококачественного  технологического моделирования в  конечном итоге эффективной реализации приборных структур и схем в интегральном исполнении. [5]

 

1. Физические особенности  процесса ионного легирования

Процесс ионного легирования полупроводника включает две основных операции: собственно внедрение (имплантацию) ионов примеси  и отжиг радиационных дефектов.

Ионная имплантация – процесс  внедрения в твердотельную подложку ионизированных атомов с энергией достаточной  для проникновения их в приповерхностные области подложки (от кило- до мегаэлектронвольт).

Наиболее общим применением  ионной имплантации является процесс  ионного легирования материалов, так как технология ионной имплантации  позволяет с высокой точностью  управлять количеством легирующей примеси. Ионная имплантация характеризуется  универсальностью и гибкостью процесса, что позволяет получать необходимые  концентрации примеси в случаях, когда другие методы неприемлемы (легирование  бором и фосфором в алмазах). Маски  при данном методе легирования могут  быть изготовлены из фоторезистов, окислов, нитридов, поликристаллического кремния и др. Процесс ионной имплантации может осуществляться при низких температурах (вплоть до комнатных), благодаря чему сохраняются исходные электрофизические свойства кристаллов.

Процесс ионного легирования заключается  в ионизации и ускорении до больших скоростей атомов примеси. Эффективная масса иона в 103 – 105 больше массы электрона, поэтому  при заданной энергии ион имеет импульс, в 102 – 104 раз превышающий импульс электрона. Ускоренные атомы примеси внедряются в кристаллическую решетку полупроводника под воздействием приобретенного импульса. Проникая в кристаллическую решетку, ионизированный атом примеси постепенно теряет кинетическую энергию за счет взаимодействия с электронами и упругих столкновений с атомами полупроводника и примеси, т.е. в результате электронного и ядерного торможения. При точной ориентации направления падения пучка ионов вдоль одной из кристаллографических осей пластины полупроводника, часть ионов движется вдоль атомных рядов, между которыми имеются достаточно широкие каналы, свободные от атомов. Это явление называют каналированием. Попав в канал, ионы испытывают менее сильное торможение и проникают в несколько раз глубже, чем в случае неориентированного внедрения. Если энергия, переданная атому решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле, то атом покидает узел. В результате образуется дефект.

После имплантации производят отжиг, задача которого – устранить радиационные нарушения и обеспечить электрическую  активацию внедренных атомов.[1] [3]

5.3 Ионное легирование

Основной особенностью ионного  легирования является возможность  воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине  практически на любой площади  пластины. Это обусловлено тем, что  можно с большой точностью  задавать ток ионного луча. Возможно получение неглубоких однородно  легированных слоев, а также резких р-n переходов. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов.

И онное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значительной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис 13) ионы примеси из источника ионов входят в анализатор по массе. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неоднороден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду применяют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит Поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 6О⁰ или 90°).

Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов, к электродам которого от отдельного высоковольтного источника подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Ускоренные ионы через щель поступают в фокусирующую систему, а затем в сканирующую систему, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине, расположенной в приемной камере. В установке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ионов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких миллиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1 ¸ 2 мм². Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75 ¸ 150 мм в разных установках составляет 96 ¸ 24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ¸ 0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффузионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиенты) распределения примеси.

Ионное легирование характеризуется  универсальностью и гибкостью, позволяет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси (путем регулировки тока пучка ионов) и глубиной внедрения – изменением энергии (напряжения источника). Процесс ионного легирования может осуществляться при низких температурах, вплоть до комнатных, благодаря чему сохраняются исходные электростатические свойства кристаллов. Это большое преимущество метода перед диффузионным легированием. Низкая температура позволяет проводить ионное легирование на любом этапе технологического цикла. Однако недостатком метода (кроме необходимости сканирования пучка) является возникновение обилия радиационных дефектов в облученном полупроводнике, вплоть до образования аморфного слоя. Такие дефекты полностью удается устранить путем кратковременного отжига (в кремнии при 900 ¸ 1100°С).

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРО́ЧНОСТЬ - минимальная напряженность  однородного электрического поля Е_пр, при которой наступает пробой диэлектриков . Электрическая прочность зависит от материала диэлектрика , конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения. Электрической прочностью обладают все газы, в том числе пары металлов, твердые и жидкие диэлектрики.  
При определении электрической прочности для исключения теплового пробоя измерения производятся, как правило, в импульсном режиме, но импульсы напряжения должны быть достаточно длительными, чтобы процессы, приводящие к электрическому пробою, протекали без перенапряжений. Такими процессами являются ударная ионизация  либо туннельное  просачивание, либо то и другое. При напряжениях выше электрической прочности диэлектрик становится проводником (когда напряженность электрического поля Е достигает пробивной Е_пр, электропроводность скачкообразно возрастает). Переход в проводящее состояние часто приводит к разрушению материала из-за перегрева.  
Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит от внешних условий и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н. у.). Эти условия — давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см², межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н. у. имеет электрическую прочность 3.10⁴В/см. Коэффициент k, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород — k = 0.5, гелий  — k = 0.2, элегаз  к = 2.9, фреон -12 — k = 2.4, перфторированные углеводородные газы k = (4—10).  
Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие частицы твердых веществ, наличие которых сильно влияет на электрическую прочность жидкого диэлектрика. Зависимость от влажности проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей электрической прочности от температуры: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение.  
В твердых диэлектриках чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом Е_пр достигает значений более 10⁶В/м. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.  
Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, чем массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов.

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью.

Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический  ток. Проводимость вызывается комбинацией ударной ионизации и туннельного просачивания; роль каждого из этих эффектов зависит от конкретного диэлектрика.

Изменение электропроводности происходит скачкообразно и часто приводит к разрушению диэлектрика вследствие перегрева.

Прочность различных материалов

Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком:

• Слюда, кварц и другиe твёрдые диэлектрики с хорошими изолирующими свойствами обладают прочностью до 10⁶—10⁷ В/см;
• электрическая прочность жидкого диэлектрика очень сильно зависит от его чистоты и также может достигать 10⁶ В/см;
• электрическая прочность газов линейно зависит от давления и существенно — от толщины слоя  в случае воздуха внормальных условиях с толщиной слоя 1 см электрическая прочность составляет приблизительно 3×10⁴ В/см, у элегаза — в 2-4 раза выше.

 

Электрическая прочность измеряется с помощью  коротких импульсов (чтобы результаты измерений не искажались тепловым пробоем).

 

 

Список литературы.

1. Ржевская  С.В. Материаловедение: учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 2004. – 424 с.

2. Богородицкий  Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоиздат, 1985. – 304 с.

3. Справочник  по электротехническим материалам (в 3-х томах) / Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. – М.: Энергоатомиздат, Т.1, 1986. – 367 с.; Т.2, 1987. – 464 с.; Т.3, 1988. – 726 с.

4. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для студ. вузов по напр. "Электротехн., электромех. и электротехнологии" / А.В. Шишкин, В.С. Чередниченко, А.Н. Черепанов [и др.]; под ред. В.С. Чередниченко. – М.: Омега-Л, 2009. – 752 с.

5. Колесник  П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте: учебник для студ. вузов. – М.: Академия, 2005. – 320 с.

6. Материаловедение: учебник для студ. вузов / Б.Н.Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – 4-е изд., испр. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.

7. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: учеб. пособие для студ. по напр. "Технол., оборуд. и автоматизация машиностроит. пр-в" / С.И.Богодухов, А.Д.Проскурин [и др.]; под ред. С.И.Богоду-хова. – Старый Оскол: ТНТ, 2010. – 560 с.