Техническое обоснование выбора материала катодов

Требования к контактам

– Контакт должен быть невыпрямляющим, т.е. его сопротивление не должно зависеть от направления протекающего тока.

– В контакте должны отсутствовать нелинейные явления, т.е. сопротивление не должно зависеть от величины протекающего тока.

– Контакт должен иметь минимальное сопротивление, при этом в направлении, параллельном поверхности, сопротивление также должно быть малым, особенно если вывод присоединен.

– Контакт не должен инжектировать неосновные носители.

– Теплопроводность контакта должна быть высокой, а коэффициент теплового расширения – близким к коэффициентам теплового расширения кремния и материала вывода или корпуса.

– Контакт должен представлять металлически стабильную систему с кремнием и материалом вывода. В случае многослойных контактов это условие относится и к взаимодействию слоев между собой.

– Металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а при распространенном контакте и к взаимодействию слоев между собой.

– Металл контакта должен быть термодинамически стабилен по отношению к диэлектрическому покрытию.

– В случае распространенного контакта желательно свести к минимуму влияние на электрические свойства диэлектрического покрытия, например, на подвижность ионов в окисле.

– Металл или система металлов контакта должны позволять проведение фотолитографии.

– Контакт не должен глубоко проникать в кремний. Это требование тоже достаточно серьезно, особенно в СВЧ транзисторах, где глубины диффузионных слоев могут составлять 0,2 – 0,4 мкм.

2.1.1.2 Характеристики Al и Al + Si

Достоинства Al:

Алюминий обладает высокой электропроводимостью. Этот металл легко напыляется и обладает высокой адгезией к окислу. Кроме того, он хорошо травится и обеспечивает высокое разрешение при фотолитографии. Алюминий восстанавливает окисные пленки в контактных окнах.

Алюминий с кремнием образуют стабильную электрическую систему, к алюминиевым пленкам хорошо осуществляется термокомпрессия. Алюминий пригоден для использования в радиоционно-стойких приборах.

Недостатки Al:

Высокая растворимость кремния в алюминии в твердой фазе. Кремний при охлаждении высаживается по границам зерен алюминия, за счет чего нарушается прочность контакта. При температуре 500⁰ С растворяется до 1% кремния.

Хорошее взаимодействие с двуокисью кремния; свободная энергия образования окисла для алюминия -376Ю7 ккал/мол, для кремния -192, 4 ккал/мол.

Для улучшения проникновения кремния в алюминий при изготовлении контактов можно применять вместо чистого алюминия сплавы алюминия с кремнием. В системе алюминия с кремнием не образуется никаких химических соединений, поэтому на границах раздела алюминия с кремнием, не образуется хрупких соединений, не появляются пустоты. Кремний, находящийся в алюминии в виде твердого раствора, почти не уменьшает его проводимость.

Кремний, рекристаллизующийся из твердого раствора в алюминии, содержит большое количество алюминия, который является акцепторной примесью, поэтому его проводимость достаточно высока.

Контактные площадки на пластине кремния всегда покрыты слоем естественного окисла. Алюминий реагирует с SiО₂, поскольку может образовывать окислы с большой (–) отрицательной энергией образования, в результате между кремнием и алюминием создается низкоомный контакт, скорости этой реакции и диффузия кремния в алюминии достаточно велики, так что для получения низкоомного контакта требуется прогреть образец при температуре 500 ⁰С в течение нескольких минут.

Алюминий медленно диффундирует в кремний, поэтому при производстве приборов нежелательных эффектов не возникает. Алюминий хорошо растворяется в твердом кремнии и образует в нем мелкие акцепторные уровни.

Поэтому для снижения уровня вышеописанных отказов предлагается применять сплавы алюминия с кремнием, вместо чистого алюминия.

Можно применять в качестве распыляемого материала мишени марки АК 1,0, имеющие иной состав по сравнению с алюминием А 99,5.

Сравнительный анализ состава мишений из Al и Al + Si дан в таблице 2

Табл. 2 Сравнительный анализ состава мишений

Марка сплава	Al	Si	Cu	Ti	Mg	Mn	Fe
А	Основа 99,5	≤00,1	≤0,01	≤0,01	≤0,01	≤0,01	≤0,01
АК – 1,0	Основа 98,953	1,02	≤0,005	≤0,005	≤0,005	≤0,005	≤0,007

 

Экспериментальная часть

Постановка задачи

Постановка задачи заключается в выборе распыляемого материала, обработке его по существующему маршруту для проведения опробования.

Отечественной промышленностью выпускаются мишени на основе чистого алюминия марки «А» и алюминий с кремнием марки «АК – 1,0» по Яео. 021.127ТУ.

Предприятие АО «Восход» работает на алюминии марки «А». (табл. 3)

 

Табл. 3 Состава мишени марки «А»

Марка сплава	Al	Si	Cu	Ti	Mg	Mn	Fe
А	99,5	≤0,01	≤0,01	≤0,01	≤0,01	≤0,01	≤0,01

 

Предлагается применять марку «АК – 1,0» (табл. 4)

 

Табл. 4 Состава мишени марки «АК – 1,0»

Марка сплава	Al	Si	Cu	Ti	Mg	Mn	Fe
АК – 1,0	98,953	1,02	≤0,005	≤0,005	≤0,005	≤0,005	≤0,007

 

Предприятие получает заготовки мишеней, затем из них по чертежам изготавливают мишени, химически обрабатывают в растворе щелочи КОН, нейтрализуют соляной кислотой, промывают в деионизированной воде и устанавливают в магратроны установки, где их одновременно применяют в количестве трех штук. Затем мишени тренируют в течении 40 – 70 минут и по толщине пленок подбирают технологический режим.

 

Методика проведения эксперимента

Три партии пластин изделий КР1095ПП1 были разделены на четные и нечетные пластины.

На четных пластинах напыляем чистый алюминий марки «А», на нечетных – алюминий с кремнием марки «АК – 1,0». Далее пластины были пропущены по существующему маршруту и переданы на контроль электрических параметров.