Методи за осъществяване на дифузия, Основи на електроакустиката
Дифузионни методи
Дифузията се извършва на два етапа: задвижване и дестилация на примеси. Параметрите на процеса на задвижване са концентрацията на дифузанта и кислорода в слоя газ, скоростта на потока на газовата смес, температурата в зоната на дифузия, времето на процеса.
Разработени са няколко метода за управление на примесите:
- дифузия в отворена тръба в потока газоносител
- дифузия в запечатан обем или ампула
Дифузия в отворена тръба За транспортиране на дифузантни пари в зоната на дифузия се използват аргон и други газове, които не взаимодействат със силиция и практически не дифундират в него. За да се насити дифузантът с пари, транспортираният газ преминава или над повърхността на дифузанта, или през дифузанта, в зависимост от необходимата концентрация. При постоянен дебит на газа концентрацията на дифузант в него се контролира от температурата на източника. Инсталацията осигурява подаване на кислород, смесен с транспортирания газ, което създава окислителна среда. Силикатното стъкло, растящо в процеса на дифузия на примеси, е повърхностен източник за дифузия на примеси, полупроводникът предпазва повърхността на силикона от ерозия поради изкривяване и нежелани химични реакции на повърхността на силикона. Това увеличава дифузионната проводимост.
При газообразните дифузанти източникът с течен газ е фосфин и деборин. Проводимостта на процеса е висока. За да се увеличи проводимостта, например, като източник на примеси се използва кварцова плоча, покрита с тънък слой B2O3.Източникът е поставен върху силициевите пластини успоредно на газ-носител, протичащ между тях, примесните пари дифундират върху силиция.
Недостатъци и ограничения на процеса на термична дифузия: висока температура на процеса - води до преразпределение на примеси в предварително образувани слоеве и области, както и до изместване на p-n прехода, което затруднява провеждането на активна основа с дебелина най-малко 0,6 микрона
наличието на странична дифузия увеличава площта на отделните дифузионни области и елементи като цяло
зависимостта на коефициентите на дифузия и разтворимостта на примесите от температурата изключва възможността за използване на много елементи за микроемитропия.
Дифузия на примеси в етапа на дестилация За да се получат дадените стойности на дифузионните параметри след етапа на задвижване, се извършва диспергиране на примесите. Тази операция се извършва в конвенционална пещ, след отстраняване на примеса от силикатно стъкло от повърхността на плочата. Процесът се провежда в кислородсъдържаща среда в присъствието на аргон. На втория етап на дифузия протичат едновременно два процеса: дифузия на примеса в дълбочината на кристала и окисление на повърхността на силиция, обогатена с примеса. Получената повърхност, концентрацията на примеси, дълбочината на p-n прехода и вида на разпределението по дълбочината на дифузионния слой ще зависят от съотношението на скоростите на тези процеси.
Методът на дифузия в отворена тръба улеснява контрола на състава на сместа газ-пара, дебита на газа и осигурява необходимия профил на разпределение на примесите. Възпроизводимостта на параметрите на дифузия от плоча до плоча и върху площта на всяка плоча зависи от разпределението на температурата в работната зона на пещта, броя на плочите, тяхното местоположение спрямо газовия поток, вида на дифузанта и чистотата на процеса.
Дифузия в затворен обем (ампулен метод)се извършва в кварцова ампула 2, в която са поставени плочи 4 и източник на примеси 5, изпомпва се до остатъчно налягане от 10-2 - 10-1 Pa или се напълва с инертен газ и се затваря (виж фиг.). Преди употреба ампулата се почиства старателно и се калцинира във вакуум при температура 1200°C в продължение на два часа. Ампулата се вкарва в кварцовата тръба 1 на дифузионна пещ с нагревател.При нагряване на източника на пара примесите се отлагат върху повърхността на полупроводниковите пластини и дифундират в нея. Ампулният метод може да извърши дифузия на арсен, бор, антимон, фосфор с равномерност на допинга до ± 2,5%. Предимството му е минималната токсичност, тъй като процесът протича в затворен обем. След процеса ампулата се унищожава (отваря). Фактът, че е за еднократна употреба значително оскъпява процеса. Понастоящем ампулният метод се използва главно за дифузия на арсен.
Дифузия в полухерметичен обем(кутиен метод)е междинен метод между дифузия в отворена тръба и в ампула. Както и в последния случай, плочите 4 и източникът на примеси 5 се поставят в кварцова ампула (кутия) 2, но тя не е запечатана, а затворена с капак от шлифован кварц 7, което осигурява малка междина (виж фиг. 1). Ампулата се поставя на изхода 6 на кварцовата тръба 1 на дифузионната пещ с нагревател 3, през който се продухва инертен газ. Газът отвежда следи от кислород и влага от ампулата, след което тя се затваря с капак и се извършва процесът на дифузия. В сравнение с дифузията в отворена тръба, методът на кутията е по-малко чувствителен към скоростта на потока на газа носител и позволява да се контролира концентрацията на повърхностни примеси в по-широк диапазон. Предимство пред ампуламетод е възможността за многократно използване на кварцова ампула.