Гибкость процесса MCVD позволяет использовать его для производства воло­конных световодов, сохраняющих поляризацию. Изготовление заготовки для такого волокна ведется по следующей программе: при осаждении первых 50 слоев, соответст­вующих внутренней оболочке, опорная труба с интервалом в 1 ... 2 с поворачивается на 180 ° вокруг продольной оси, затем в обычном режиме при равномерном вращении трубы вокруг оси осаждаются слои с повышенным показателем преломления, форми­рующие сердцевину. При схлопывании анизотропные напряжения во внутренней

Рисунок 11.2.2. Профиль показателя преломления волокна, изготовленного по методу MCVD

Рисунок 11.2.3. Схема управления процессом производства по методу МСУЭ:

1 ЎЄ контроллер состава смеси; 2ЎЄконтроллер скорости потока смеси; 3 ЎЄ контроллер вращения опор­ной трубы; 4 ЎЄ контроллер движения горелки; 5 ЎЄ контроллер температуры горячей зоны; 6 ЎЄ контроллер управления горелкой; 7 ЎЄ контроллер откачки и очистки продуктов реакции

оболочке, которая получается эллиптической в сечении (рисунок 4.35), приводят к дву-лучепреломлению в сердцевине заготовки, а затем после вытяжки ЎЄ ив сердцевине во­локна.

Заготовки, изготовленные по методу МСУБ, обладают чрезвычайно высокими показателями по геометрическим, механическим и оптическим параметрам. Гибкость этого метода очевидна: на одном технологическом оборудовании путем изменения программы он позволяет производить заготовки для волокон разных типов (одно-модовых, одномодовых с сохранением поляризации, многомодовых градиентных и сту­пенчатых). Именно поэтому этот процесс доведен до высокого промышленного уровня и используется для массового производства во всем мире. Однако ему присущи и недостатки, главные из которых низкая эффективность использования галоидов (по­рядка 40 ... 60%) и сравнительно малая скорость осаждения (0,25 ... 0,5 г/мин).

Волокно является исходным продуктом для скрутки кабеля искомой конструкции. Кабели разных типов в зависимости от областей применения могут иметь от 1 до 144 во­локон, которые либо укладываются в спиральные пазы или канавки, либо заливаются в сердечник кабеля вместе с упрочняющими и токоведущими элементами. Для изготов­ления кабелей традиционного типа, т. е. цилиндрических, используются крутильные машины, похожие на аналогичные устройства в традиционном кабельном производст­ве. При изготовлении ленточных кабелей технология иная и более напоминает процесс изготовления электрических проводников ленточной формы. Сечения некоторых типов кабелей показаны на рисунке 11.3.1.

Рисунок 11.3.1. Сечение кабелей:

аЎЄповивная скрутка; бЎЄмногоповивная скрутка; вЎЄпучковая скрутка; 1 ЎЄоптическое волокно; 2 ЎЄ промежуточный корд; 3 ЎЄ оболочка кабеля; 4 ЎЄ упрочающий элемент

Практическое занятие N1

Определение профилей распределения примесей при термической диффузии

Исторически метод термической диффузии примесей на ранних этапах развития микроэлектроники являлся единственным для модифицирования приповерхностных свойств (типа проводимости, электропроводности, рекомбинационных свойств и др.) твердого тела. В дальнейшем появился более прогрессивный прецизионный метод легирования - ионная имплантация.

Однако термическая диффузия при производстве изделий ЭОТ используется как метод разгонки примесей после ионной имплантации.

При рассмотрении диффузионных процессов следует выделить два класса задач: первый - построение профилей распределения примесей и второй - определение геометрических размеров легированных областей (глубин залегания) при заданных технологических режимах процесса диффузии.

Рассмотрим первый из них.

В полупроводниковой технологии интерес представляют два случая распределения примесных атомов.

1. Диффузия из источника с ограниченным содержанием примеси (ограниченный источник). Примесь в начальный момент находится в бесконечно тонком поверхностном слое. Тогда профиль распределения концентрации имеет вид нормального распределения

µ § (1.1)

где N - плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2;

х - глубина, соответствующая данной концентрации, см;

D - коэффициент диффузии примеси, см2/с;

t - время диффузии, с.

Глубина залегания р-n -перехода:

µ § (1.2)

где Со - поверхностная концентрация примеси - ат/см3;

СВ - концентрация примеси в исходной пластине - ат/см3.

В нашем случае, когда х = 0 из (1) следует, что

µ § (1.3)

Для практических случаев можно пользоваться приближенной формулой
µ §µ § (1.4)

2.Диффузия из источника с постоянной поверхностной концентрацией примеси (бесконечный источник)

Со= const и определяется предельной растворимостью примеси при температуре диффузии;

функция erfc - табулирована, но можно использовать ее аппроксимацию

µ § (1.6)

Для этого случая глубина залегания р-n- перехода

µ § (1.7)

При последовательной диффузии нескольких примесей выражении для C(x,i) нужно использовать еумму
µ § (1.8)

Расчет распределения примеси в случае двухстадийной диффузии

Стадия загонки протекает в течение короткого времени t| up постоянной поверхностной концентрации Со,.

Введенное при загонке количество примесных атомов (N, ат/см2 сдужит источником диффузанта при разгонке в течение времени t изменяющейся во времени поверхностной концентрацией С02:

Для построения профиля распределения примеси при двухстадийной диффузии необходимо знать температуры и время загонки и разгонки. Температура загонки Ti - определяет коэффициент диффузии D| и поверхностную концентрацию Q>i, определяемую предельной растворимостью примеси.

Поверхностная плотность атомов примеси, введенной при загонке, определяется выражением
µ § (1.10)

Распределение примеси после разгонки определяется выражением

µ § (1.11)

Пример 1. Построить профиль распределения примеси и определить глубину залегания p-n-перехода в случае двухстадийной диффузии Р в Si р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом-см, проводимой в режиме:

T1 = 1050°C; t1 = 10 мин;

Т1=1150°С; t2 = 2 ч.

1. Так как на стадии загонки поверхностная концентрация COi постоянна и определяется ггредельной растворимостью примеси при данной температуре, ее можно определить из графика зависимости С =f(Т)(рис.1.3.)Ш,

Находим, что для 1050 °С предельная растворимость Р в Si составляет 1.2 • 102' см"3, т.е.

2. Необходимо определить Di при Т = 1050 °С. Из. графика D=f(T) (рис. 1.4.) находим, что

3. Определим количество атомов Р или поверхностную плотность атомов примеси, введенную при загонке, из выражения

4. Стадия разгонки. Находим D2 из той же зависимости D = f(T); для температуры разгонки 1150 °С получаем

D2 = 4 • 10-13 cm2/c.

5. Можем определить распределение примеси после разгонки из выражения:

Для сравнения можем построить кривую распределения Р после загонки, пользуясь выражением

Если построить эти профили, то получим зависимости, изображенные на рис 1.1, и следующие данные
µ §

x1=1мкм= 1•10-4см; Сх1 = 2.31•10-19;

х3=2 мкм = 2•10-4см; Сх2 = 1.69•10-19;

хэ=3 мкм = 3•10-4 см; Сх3 = 2,19•10-19;

Рис. 1.1. Профили распределения фосфора в Si после двухстадийной диффузии.

6. Определим глубину залегания p-n-перехода после проведения разгонки по формулам

СВ - концентрация примеси в исходной пластине. Ее можно найти из графика р = f(C) (рис. 1.5). Для рр = 1 0 Ом • см получаем

С= 1.2 • 10-15 см3.

Поставляем найденные значения в выражение для xj:

По упрощенной формуле имеем

Расчет распределения примеси при диффузии из слоя конечной толщины

В предыдущем случае выполнялось условие v D,t,

т.е. форма профиля на стадии загонки не влияет на профиль после разгонки, т.к. их глубины залегания несопоставимны. Если условие D1t1 < D2t2 не выполняется, то глубины диффузии при загонке и разгонке сопоставимы и нельзя считать, что диффузия при разгонке идет из бесконечно тонкого слоя с ограниченным содержанием примеси. В этом случае получается комбинированное распределение, определяемое решением уравнения Фика для диффузии из слоя конечной толщины

µ §

Поверхностная концентрация после разгонки С02 = С (x=0,t1,t2). Или

µ §

Интеграл в выражении (12) вычислен и табулирован для различных б и z.

Т1 = 1250°С; t1 = 10мин;

Т2=1150°С; t2 = 2ч.

Определить глубину залегания p-n-перехода. Решение:

1. Из графика D = f(T) (см.рис.1.4) определим коэффициент диффузии Р при данных температурах:

D1 = 4 • 10-12 см2/с;

D2 = 4 • 10-13 см2/с.

2. Сравним D1t1 и D2t2:

D1t1, = 4 • 10-12 •10 • 60 = 2.4 • 10-19;

D2t2 = 4 • 10-13 • 2 • 60 • 60 = 2.88 • 10-19, т.к. они близки, необходимо использовать формулу (12).

3. Определим постоянные а и г по формулам (13)

4. Определим поверхностную концентрацию после разгонки по кривой С = f(Т) (см.рис.1.3) (соответствует предельной растворимости Р при данной температуре) при Т1 = 1250 °С

С01 = 1.2 • 1021 см-3.

5. Определим поверхностную концентрацию после разгонки С02:

б. Можем построить распределение концентрации по глубине, используя таблицу расчетных значений а и г.

Задавая значения г = 0.1 - 0.3 - 0.5 и т.д. для б = 0/9, определяем значение интеграла в формуле (12).

Из графика можем найти глубину х:

7. На стадии загонки распределение примеси имеет вид (5)

Если построить распределение концентрации Р, после загонки и разгонки получим следующие зависимости (рис. 1.2)

Рис. 1.2. Профили распределения Р в Si в примере 2.

Решение.

Имеем диффузию из неограниченного источника, т.е. используем формулу (5)

Зная температуру диффузии Т = 1000 °С, находим Со и D из графиков С = f(T) и D=f(T) D = 3 • 10-14 см-3 (рис 1.3-1.4):

C0 = 1021 см-3;

D = 3 • 10-14 см-3;

Тогда

II вариант

Используем формулу (4):

Или по уточненной формуле (7)

Рис. 1.4. Графики для функции erfc и нормального закона распределения.

Рис. 1.5. Зависимость коэффициента диффузии примесей в Si от температуры.

Рис. 1.6. Зависимость удельного сопротивления Si от концентрации примеси.

Определение технологических режимов процесса диффузии.

Второй класс задач связан с расчетом технологических режимов первой и второй стадии диффузии или второй стадии диффузии ("разгонка") после ионной имплантации. Последняя наиболее актуальна при изготовлении современных изделий ЭОТ последних поколений.

На первом занятии рассматривались так называемые прямые задачи, т.е. определение параметров диффузионного слоя при заданных режимах диффузии (распределение примеси (профиль диффузии) C(x,t) и глубины залегания p-n-перехода (xj). Рассмотрим так называемые обратные задачи, т.е. определение режимов диффузии при заданных параметрах диффузионного слоя.

Эти задачи имеют большое практическое значение, но эта связь с практикой придает им специфику - они неоднозначны в отношении выбора длительности и температуры процесса. Выбор этих параметров определяют конкретные особенности технологического процесса и возможности технологического оборудования.

Строгое решение обратных задач приводит к определению произведения D•t. Далее чаще всего задаются температурой Т и по найденному значению D определяют длительность процесса t. Иногда при выборе режимов следует учитывать не только температурную зависимость коэффициента диффузии, но и предельную растворимость примеси.

Если диффузия ведется из источника с ограниченным содержанием примеси (конечный источник), тогда из формулы для xj

получим

Теперь нужно выбрать либо температуру, либо время процесса. Если нас лимитирует производительность, задаем некоторое минимальное время t и на основании вычисления Р определим температуру Процесса

(2.3)

Пример 1: Определить температуру разгонки As, предварительно внедренного с помощью ионной имплантации в кремний р - типа с удельным сопротивлением 1 Ом-см, если распределение должно обладать глубиной залегания p-n-перехода Xj = 0.5 мкм, поверхностной концентрацией Со = 1 5 • 1020 см'3, а длительность процесса составляет 1 час. Вычислить количество атомов мышьяка N, которое должно быть внедрено в Si.

1. С помощью зависимости руд = f(C) (рис. 1.5) найдем С, (т.е.концентрацию примеси в исходной подложке) для Si с руд= 1 Ом•см:

СB = 1.5 •1016 см-3.

2. Определим D по формуле

3. Из графика D = f(T) определяем, что такому значению D соответствует температура 1070 °С.

4. Рассчитаем количество атомов As, которое необходимо внедрить перед диффузией с помощью ионной имплантации:

Пример 2: Определить режим диффузии As, проводимой в одну стадию при постоянной поверхностной концентрации С0 = 1.5 • 1020 см-3 (т.е. из бесконечного источника), если подложка Si имеет руд = 1 Ом • см, глубина xj = 0.5 мкм, время диффузии - 1 час.

Решение:

С помощью зависимости руд= f(C) найдем CВ:

Для этого случая Xj определяется из выражения

Возведем обе части в квадрат и определим D из выражения

3. По найденному D из зависимости D = f(Т) (рис. 1.4) определим температуру -1080 °С. Учтем предельную растворимость As.

По зависимости С = f(T) (рис.1.3) определим, что для Т=1080 °С предельная растворимость равна 1.7-1021 см . У нас по условию задачи поверхностная концентрация С0 = 1.5 • 1020 см-3 , т.е. необходимо для диффузии использовать обедненный источник диффузанта.

1.2 Двухстадийная диффузия Задача решается в 2 этапа.

Определяем режим разгонки.

На основании полученных данных - режим загонки.

возведем обе части выражения в квадрат и выразим D1•t1:

Для стадии разгонки имеем по формуле (9)

Подставим N в предыдущее выражение

Из этого выражения видно, что для двухстадийной диффузии необходимо регулировать поверхностную концентрацию при загонке С01 либо задавать температуру загонки Т1, определяющую два параметра D1 и С01, а время загонки t, рассчитать по известным данным:

Пример 3: Определить температуры и длительность процессов загонки и разгонки в случае двухстадийной диффузии В в Si n-типа с pуд = 10 Ом • см, если искомое распределение примеси должно иметь следующие параметры:

Решение:

1. Зная руд по графику р = f(T) (рис. 1.5), находим СB (концентрацию примеси в исходной подложке):

Методы расчета ионно-легированных структур.

С помощью Ионного легирования решаются те же технические задачи, что и при термической диффузии, однако данный метод имеет свои особенности.

Типичные параметры ИЛ:

Еуск = 10 ЁC 300 кэВ (1МэВ);

Диаметр ионного пучка ~ 1 см2

Ток ионного пучка = l0 µ §A ЎK mA

Глубина внедрения - до 0,5 мкм

Структурная схема установки для ИЛ.

2. Установка с Е < 100 кэВ

Преимущества ИЛ

2. Выбор примеси не ограничивается предельной раствори­мостью материалов в твердом состоянии.

3. Уменьшение геометрических размеров приборов за счет малого бокового отклонения ионов под защитную маску.

Возможность получения сложных ступенчатых профилей.

Низкая температура процесса.

Чистота процесса (возможность легирования через защитную маску).

2. Повреждение кристаллической решетки требует последующего отжига при Т ~ 450 - 900 °С.

3. Сложность и громоздкость оборудования.

Пробеги ионов

R - полная длина пробега; Rp - проекция полной длины пробега(средний нормальный пробег); µ §Rp - среднеквадратичное отклонение проекции полной длины пробега (разброс).

Для расчета среднего полного пробега R (см) иона с энергией Е (эВ) используют формулы, в которых Е и R выражены в безразмерных единицах е и р соответственно:

L - нормирующий множитель пробега (см-1)

с = 0.45; d = 0.3 - параметры, учитывающие торможение за счет ядерного взаимодействия;

k и µ § - коэффициенты, учитывающие торможение за счет электронного взаимодействия:
(3.3)
z( и z2 - заряды ядра иона и мишени;

M1 и М2 - массы ядра иона и атома мишени

Пример 1. Рассчитать средний полный пробег ионов бора с энергией Е = 100 кэВ в Si, если z1 = 5, z2 = 14, М1 = 11, М2 = 28.09, N2= 4.98 • 1022 см-3, с = 0.45, d = 0.3.

1. Необходимо определить: радиус экранирования - а;

коэффициент передачи энергии - µ §;

коэффициенты электронного торможения - k, µ §;

нормирующие множители - L, F.

2. Определим радиус экранирования а;