Разработка и исследование технологии изготовления подложек из монокристаллического сапфира для элементов электронной техники

• Автор: Нелина, Светлана Николаевна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 155 с. : ил.

1.1 Монокристаллы сапфира.

1.1.1 Метод ГНК.

1.1.2. Дефекты структуры кристаллов и закономерности их образования.

1.1.3 Особенности выращивания кристаллов сапфира

1.1.4 Особенности теоретического решения задач радиационно

кондуктивного теплообмена в процессе роста монокристаллов.

1.2 Изготовление подложек из сапфира

1.2.1 Сапфир, как материал для подложек ИМС.

1.2.2 Требования к поверхности подложек.

1.2.3 Резка монокристаллов сапфира на пластины

1.2.4 Шлифовка и полировка сапфировых пластин.

1.3 Использование сапфировых подложек в электронной технике.
1.3.1 Конструкционное применение сапфира в качестве подложек в изделиях электронной техники.
1.3.2 Сеноры давления на основе структуры кремний на сапфире
1.4 Выводы по главе 1.1.
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ САПФИРА.
2.1 Способы контроля условий роста в методе ГНК.
2.2 Исследование блочного строения кристаллов сапфира.
2.3 Поляризационно оптический способ измерения
остаточных напряжений.
, 2.4 Методика изготовления сапфировых подложек.
2.5 Метод атомносиловой микроскопии
2.6 Выводы по главе 2.
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ТЕПЛО ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
3.1 Моделирование процессов, влияюнщх на качество растущего кристалла сапфира методом гнк.
3.1.1 Теплофизические процессы, происходящие на начальной стадии роста.
3.1.2 Самосогласованый рост кристалла при больших начальных переохлаждениях.
3.1.3 Влияние градиента температуры в кристалле на положение и форму
фронта кристаллизации.
3.1.3.1 Моделирование процессов теплообмена в системе кристаллрасплав 3.1.3.2 Расчет распределения температуры в системе расплав кристалл
3.2 Влияние теплофизических процессов, происходящих при росте
кристалла сапфира на наличие пузырей, в кристалле.
I 3.3 Влияние мощности нагревателя на качество кристаллов сапфира,
полученных методом ГНК
Г.
I
3.4 Выводы по главе 3.
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В УСТАНОВКЕ ТИПА СЗВН И КРИСТАЛЛЕ САПФИРА НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ РОСТА
4.1 Экспериментальное исследование распределения температур в установках ГНК типа СЗВН .5.
4.2 Влияние теплового пространства печи для выращивания кристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на условия теплообмена в процессе кристаллизации.
4.3 Исследование остаточных напряжений в кристаллах сапфира
4.4 Выводы по главе
ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ САПФИРА В ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ
5.1 Изготовление сапфировых элементов электронной техники
5.1.1 Исследование механической обработки сапфировых элементов
5.1.2 Исследование химикомеханической полировки сапфира.
5.1.3 Маршрут изготовления подложек из сапфира.
5.2 Разработка конструкции датчика давления на основе структуры кремнийнасапфире.
5.2.1 Конструкция датчика давления.
5.2.1 Моделирование упругого элемента датчика давления.
5.2.3 Расчет чувствительности датчика давления
5.2.4 Методика проектирования упругого элемента датчика давления
5.3 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


Разработанная технологическая схема включает следующие стадии ориентированная резка монокристаллического блока кристалла сапфира на пластины в заданной кристаллографической плоскости, определение и выделение монокристаллических областей с требуемыми размерами и структурными параметрами, придание пластинам заданной формы, двухсторонняя шлифовка и полировка, последующая двухсторонняя химикомеханическая полировка для удаления нарушенного слоя и подготовки поверхности, пригодной для использования в микроэлектронике. Разработан датчик давления, включающий полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры кремний на сапфире, который может быть применен для измерения абсолютного, избыточного и разности давлений. В заключении приведены основные результаты работы. Благодаря своим уникальным свойствам сапфир применяется во многих областях науки и техники. Широкое применение кристаллы сапфира нашли и в микроэлектронике. С развитием технологий растут требования к качеству структуры этого материала 1. Известно, что на качество выращиваемых монокристаллов влияет множество критериев, и в первую очередь условия выращивания. Это емкое понятие и включает в себя множество других, таких как распределение температуры в. Однако определение функциональных зависимостей параметров реального кристалла от условий его получения остается первостепенной задачей, так как от этого зависит решение проблемы получения кристаллического материала с заданными свойствами. Детальный анализ процессов и структуры среды, из которой выращивают монокристаллы, позволяют изменить или улучшить условия роста так, чтобы получить кристаллы высокого качества. Для изучения процессов и явлений, происходящих при выращивании кристаллов сапфира, применяются как теоретические расчеты 3, 4 и моделирование этих процессов, гак и экспериментальные исследования . Существует множество методов выращивания монокристаллов сапфира. Наиболее перспективными оказались методы выращивания из расплава, позволяющие получать кристаллы больших размеров при больших скоростях роста по сравнению с кристаллизацией из растворов или газовой среды 7, 8. В зависимости от того ведется кристаллизация в тигле или без него, различают бестигельные методы метод Вернейля, метод плавающей зоны и тигельные методы Киропулоса, Чохральского, Бриджмена Стокбаргера, Степанова, методы зонной плавки и горизонтально направленной кристаллизации ГНК. Методы выращивания из большого объема расплава методы Киропулоса, Чохральского, Бриджмена Стокбаргера, ГНК. Объем расплава влияет на характер и интенсивность ряда физикохимических процессов, происходящих в расплаве. Расплав может диссоциировать, а продукты диссоциации испаряться в атмосферу. Для таких веществ ограничивают время пребывания в расплавленном состоянии, то есть кристаллы выращивают из малого объема расплава. Аналогичные условия должны выполняться и для веществ, которые взаимодействуют с материалом тигля и атмосферой. Следует обратить внимание на различие условий конвекции. В большом объеме расплава конвективные потоки развиваются свободно, и конвективный перенос вещества играет заметную роль. В малом объеме конвекция не может играть такой роли, и масса переносится путем диффузии. Примером влияния объема расплава на качество растущего кристалла может служить различие распределения примеси в кристаллах, выращенных методами направленной кристаллизации и зонной плавки рис. Рис. Распределение примеси по длине кристаллов, выращенных методами зонной плавки 1 и направленной кристаллизации 2. Направленная кристаллизация относится к методам выращивания из большого объема расплава, зонная плавка метод выращивания из малого объема. При направленной кристаллизации содержание примеси в среднем участке кристалла сохраняется постоянным. При зонной плавке начальный участок кристалла содержит меньше примеси, чем исходный материал. В . ГНК удачно сочетаются элементы направленной кристаллизации и зонной плавки. Если при обычном выращивании из расплава расплавляется вся шихта, то при ГНК между затравочным кристаллом и исходным материалом шихтой создается локальная расплавленная зона. Кристалл растет при медленном перемещении этой зоны вдоль контейнера с шихтой, имеющем форму лодочки рис. Рис.