Техника - молодёжи 1985-06, страница 22

тер, нашел «виновника». Оказалось, кислород «присваивал» преимущественно галлий. При этом он как бы вытеснял мышьяк из соединения, и тому ничего не оставалось делать, как кристаллизоваться. Словом, полупроводник распадался на окись галлия и чистый мышьяк.

Но только ли кислород пригоден для окисления? Например, мышьяк в отличие от галлия можно окислить и фтором, тоже сильным окислителем.

В электролит добавили ионы фтора. По замыслам Овчинникова, должна была образоваться смесь окислов: «кислородный» — галлия и «фтористый» — мышьяка. Когда же подложку* вынули из электрохимической ячейки, она была изъедена язвами. Питтинг, местная коррозия. Откуда? Начались новые исследования.

Иначе, как стало вскоре ясно, быть и не могло. Внедряясь в подложку, активные ионы фтора резко снижают электрическое сопротивление окисной пленки, и электроны из раствора устремляются в образовавшиеся «пробоины». Атом за атомом, молекулу за молекулой «разъедают» они в ослабленном месте полупроводник, словно электрод, помещенный в гальваническую ванну...

Выходит, чистый фтор для окисления неприемлем. А что, если ввести в полупроводник не чистый элемент, а устойчивые фтористые соединения?

Так пришел Овчинников к окончательному решению. Сначала из электролита в полупроводник гальванически ввели соединения фтора, затем, уже химически, из него вывели все лишнее. В поверхностном слое арсенида галлия остались «фтористые» и «кислородные» окислы, которые мирно — «бездефектно»! — сосуществовали друг с другом. А это значит, что путь к изготовлению сверхбыстродействующих арсенид-галлиевых микросхем наконец был открыт. Простая, надежная, дешевая технология была создана.

КРЕМНИЙ И ТРАНЗИСТОРЫ

В электронных вычислительных машинах кремниевые полупроводники, как говорилось, достигли предела быстродействия. Однако далеко не всегда нужны сверхбыстродействующие ЭВМ. Дешевизна и распространенность химического элемента кремния гарантируют изготавливаемым из него транзисторам работу на многие десятилетия, а то и века. Вот почему однокурсник Овчинникова — Владимир Липатов продолжал заниматься разработкой кремниевых транзисторов, совершенствовать технологию их изготовления.

Владимир закончил Московский институт стали и сплавов одновременно с Овчинниковым. Вместе поступили в аспирантуру, защитили кан

дидатские диссертации. Сейчас вместе работают на кафедре физической химии и технологии полупроводников.

Как и в любой отрасли промышленности, в электронной важна производительность труда. Ее повышение зависит от многих факторов, в том числе и от... геометрии.

Из полупроводниковой подложки диаметром 40 мм можно, к примеру, изготовить 10 транзисторов. Из подложки диаметром 60 мм — в два с лишним раза больше. Казалось бы, чем больше диаметр подложки, тем выше и производительность труда? Нет, это заключение чисто умозрительное.

Дело в том, что для изготовления транзисторов однородную подложку из высокоомного кремния нужно превратить в своеобразный бутерброд, сделав основную его толщу низкоомной. Для этого кремниевые подложки в специальных газовых реакторах как бы пропитывают на определенную глубину при температуре 1250° С примесями, например, фосфором. Однако уточним: это если диаметр подложки 40 мм. Подложку с диаметром, скажем, 60 мм в реакторе приходится выдерживать при более высокой температуре — 1350° С и более продолжительное время. Иногда из-за различных физических свойств слоев на их границе возникают напряжения. Чтобы 60-миллиметровым заготовкам придать большую прочность, их стали делать толще, чем 40-миллиметро-вые. Ну а чем больше толщина полупроводника, тем, понятно, больше времени приходится «пропитывать» его фосфором. Вот тут-то и «плывут» все расчеты по росту производительности труда...

К тому же подобных температурных нагрузок — свыше 1300 °1 — не выдерживают даже тугоплавкие кварцевые реакторы. Ну а если еще учесть, что вместе с фосфором в полупроводник проникают и различные нежелательные примеси, отфильтровать которые заранее невозможно, а чистота материала в шесть «девяток» после запятой сегодня уже мала, то станет ясно, что осаждать из расплава металла (к примеру, олова) кремний на подложку-затравку (из того же кремния) гораздо проще и выгоднее, чем использовать малопроизводительную дорогостоящую технологию с тугоплавкими реакторами.

Заметим, что при выращивании кремниевой подложки в нее не только не проникают примеси из расплава, но расплав сам вытягивает их! Происходит как бы самоочищение полупроводника.

Итак, контейнер с расплавом олова, насыщенного кремнием, кассеты с подложками-затравками. Вот и все оборудование, что необходимо для организации производства полупро

водников новым способом. Так, по крайней мере, виделось молодому физику воплощение идеи.

Дело, впрочем, еще не дошло до практических экспериментов, когда Владимир отыскал кандидатскую диссертацию новосибирского ученого Пака. Речь в ней шла как раз об осаждении полупроводниковых пленок из расплавов, в частности, о том, что эксперименты с кремнием дают отрицательный результат.

Приговор идее? Первые же опыты подтвердили, что «новосибирский ученый прав: вместо того чтобы покрыть подложку ровным слоем, кремний образовал на ней некое подобие крошечных сталактитов. Остальная часть полупроводника быстро кристаллизовалась в самом расплаве.

Ну что ж, отрицательный результат — это тоже результат. Спорить трудно. Впрочем, есть и другая поговорка: если все получается слишком гладко, значит, где-то ошибка. Липатов на мгновенный успех не рассчитывал.

Предстояло разобраться, в чем загвоздка — в расплаве или в подложке?

И РАСПЛАВ, И ПОДЛОЖКА

Липатов обратился за помощью в Институт металлургии имени А. А. Байкова АН СССР. Младший научный сотрудник Александр Николаев взялся за изучение физико-химических свойств расплава. А сам Липатов продолжал тем временем исследовать подложку.

Постеренно становилось ясно, почему кремний из расплава оседает на подложку неравномерно. Виною оказалась окисная пленка на ее поверхности. Как ни быстро переносили подложку после очистки в контейнер с расплавом, окисная пленка успевала образоваться, и в эксперименте изолировала подложку от расплава. Где выход? Липатов прибегнул к приему, испокон веков известному... лудильщикам, в расплав он вв^л компоненты, очищающие кремний от окислов, подобно тому, как флюс при пайке очищает от окислов и загрязнений металлические поверхности.

К тому времени у Николаева были готовы диаграммы состряний расплава, рассчитаны скорости охлаждения, при которых кремний кристаллизуется строго на подложке, а не в самом расплаве. Вместо десятков часов изготовление транзисторов стало занимать десятки минут.

8 1984 году работа Овчинникова, Липатова и Николаева была удостоена премии Ленинского комсомола и Диплома АН СССР, ежегодно присуждаемого молодым ученым в области физхимии. Завершен один из этапов научной работы. А впереди новые.

20