Равновесие этой реакции очень чувствительно к концентрации H2O в системе. Установлено, что давление HBO2 на несколько порядков превышает давление B2O3. Поскольку давление H2O в обычной диффузионной системе не ниже 30 Па (чему способствует также высокая гигроскопичность B2O3), основным компонентом газовой фазы является HBO2, а не B2O3. Повышенное (по сравнению с равновесным давлением B2O3) содержание бора в газовой фазе, а также более высокие значения коэффициента диффузии HBO2 способствуют повышению уровня легирования кремния и возможности создания диффузионных слоев с поверхностной концентрацией, близкой к пределу растворимости. С другой стороны, для получения воспроизводимых результатов диффузии необходим точный контроль содержания влаги в системе, что осложняется гигроскопичностью B2O3.
Несмотря на разработку усовершенствованных процессов с использованием ТПИ на основе BN необходимость проведения периодического окисления остается их существенным недостатком.
1.1.1.1.2. ТПИ на основе материалов, содержащих B2O3
Состав и технологический процесс изготовления ТПИ на основе материалов, содержащих B2O3 довольно сложны. Например, в [4] указывается способ изготовления ТПИ в виде стеклокерамического диска следующего состава (мол.%): SiO2 – от 2 до 50; Al2O3 – от 15 да 36; MgO – от 15 до 36; B2O3 – от 10 до 50. Благодаря высокому содержанию B2O3 данный источник можно использовать без предварительного окисления в процессах диффузии при температуре 700 – 1200°С. Наиболее ответственным этапом в технологии изготовления источника является процесс кристаллизации боросиликатного стекла, режим которой зависит от состава источника. При некоторых соотношениях компонентов (особенно при высоком содержании B2O3) не удается достичь полной кристаллизации, вследствие чего заметно снижается теплостойкость источника при высоких температурах эксплуатации.
Повышения теплостойкости стеклокерамических твердых источников с высоким содержанием B2O3 можно достигнуть за счет введения в состав дополнительных окислов.
Например, в [4] приводится технология, когда в состав нового стеклокерамического источника входят (в мол.%): SiO2 – от 15 до 40, Al2O3 – от 15 до 30, B2O3 – от 20 до 60 и RO – от 5 до 25, где RO – композиция из следующих окислов: MgO – 0 – 15, CaO – 0 – 10, SrO – 0 – 10, BaO – 0 – 10, La2O3 – 0 – 5, Nb2O3 – 0 – 5, Ta2O3 – 0 – 5. При этом 4 ≥ Al2O3/RO ≥ 1,5. Оптимальный состав стеклокерамического источника (в мол.%): SiO2 – 18 – 40, Al2O3 – 15 – 30, B2O3 – 30 – 60, RO – 5 – 15 при 4 ≥ Al2O3/RO ≥ 2.
Технологический процесс изготовления ТПИ на основе алюмоборосиликатного стекла включает несколько этапов:
- плавление стекла при температуре 1500 – 1650°С в закрытом платиновом контейнере. Длительность плавления зависит от состава шихты и проводится до момента получения гомогенного стекла;
- выливание стекла в нагретые графитовые циллиндрические формы порциями, соответствующими толщине 0,5 – 1,25 мм;
- кристаллизация стекла в несколько стадий: образование кристаллических зародышей; развитие зародышей; кристаллизация.
Механические свойства и теплостойкость стеклокерамических источников определяются соотношением компонентов в исходной шихте. Введение MgO в сочетании с CaO, SrO и (или) BaO препятствует неконтролируемому расстекловыванию боросиликатного стекла. Добавки La2O3, Nb2O5, Ta2O5 способствуют образованию стекла с высоким содержанием B2O3. Другие окислы улучшают качество стекла, а небольшие количества ZrO2 (TiO2) стимулируют образование зародышей в процессе его кристаллизации. Содержание окислов щелочных металлов (K2O, Na2O, Li2O, Cs2O, Rb2O), а также окислов, обладающих высоким давлением насыщенных паров (PbO, SnO2, CuO), не должно превышать 0,5 мол. %, так как их наличие в газовой фазе в процессе диффузии может вызвать ухудшение электрофизических характеристик приборов, полученных при помощи ТПИ.
В процессе эксплуатации такого ТПИ рекомендуется проведение периодического отжига при температуре диффузии с целью стабилизации его свойств.
1.1.1.2. Источники для диффузии фосфора
Твердые планарные источники фосфора при нагревании выделяют пятиокись фосфора (P2O5) в газовую фазу, молекулы которой диффундируют к поверхности кремниевых пластин и в результате реакции
2P2O5 + 5Si → 5SiO2 + 4P
образуют слой фосфоросиликатного стекла (ФСС), из которого происходит диффузия фосфора в объем кремния.
В качестве ТПИ фосфора используется нитрид фосфора, фосфид кремния или материалы, содержащие P2O5 в связанном виде, которая выделяется при термическом разложении (метафосфат алюминия, пирофосфат кремния).
1.1.1.2.1. ТПИ на основе нитрида фосфора (PN)
Перед началом процесса диффузии пластины нитрида фосфора термически окисляются для образования на поверхности слоя P2O5. Поскольку давление насыщенных паров P2O5 при температурах диффузии имеет высокое значение, за время одного процесса происходит полное ее испарение. В связи с этим операцию окисления необходимо проводить перед каждым процессом.
Показано [4], что нитрид фосфора может использоваться и без предварительного окисления, если в состав газа-носителя ввести некоторое количество кислорода или паров воды, в результате чего происходит образование P2O5 непосредственно в зоне реакции.
ТПИ на основе нитрида фосфора уступают нитриду бора по механическим свойствам и теплостойкости, что обусловлено физико-химическими свойствами нитрида фосфора :
- нестабильностью состава и высокой скоростью разложения при сравнительно низких температурах (нитрид фосфора состоит из смеси PN, P4N6, P3N5, а также аморфного PN с мольным соотношением N/P 0,9 – 1,7, начинает разлагаться при температуре 500°С и интенсивно разлагается при 850 – 900°С в инертной среде);
- высокой гигроскопичностью P2O5, образующейся в окислительной среде при температурах выше 150°С на поверхности PN (наличие слоя H3PO4 является причиной возникновения напряжений, приводящих к деформации твердых источников).
Твердые источники на основе нитрида фосфора не находят широкого применения из-за нестабильности свойств, низкого срока службы и сложности консервации. Технологический процесс с их использованием требует предварительного окисления или проведения диффузии в окислительной среде, что нивелирует основные преимущества твердых источников по сравнению с традиционными способами диффузии.
1.1.1.2.2. ТПИ на основе метафосфата алюминия
Метафосфат алюминия (Al2O3∙3P2O5) представляет собой соединение с высоким содержанием пятиокиси фосфора, которое разлагается при температурах 700 – 1200°С :
Al(PO3)3 → AlPO4 + P2O5.
Давление образующейся P2O5 достаточно для проведения диффузии фосфора в кремний в широком интервале температур.
В [4] указан способ получения ТПИ фосфора на основе стеклокерамического метафосфата алюминия. Источник изготавливается в виде диска по технологии, включающей следующие этапы:
1. Плавление стекла Al2O3∙3P2O5при температуре 1500°С в закрытом контейнере при избыточном давлении P2O5. По окончании плавления стекло содержит 19 – 30 масс.% Al2O3 и 70 – 81 масс.% P2O5;
2. Выливание стекла в нагретую графитовую форму;
3. Кристаллизация стекла;
4. Разрезание слитка на диски толщиной 1 мм.
Диски на основе стеклокерамического метафосфата алюминия обладают достаточной теплостойкостью, позволяющей их эксплуатацию до температур 1150 – 1200°С (при диаметре 38 мм). Твердый планарный источник на основе метафосфата алюминия имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее известными. Высокое содержание активной пятиокиси фосфора (до 50 масс.%) обеспечивает его длительный срок службы (несколько сотен часов).
Основным недостатком стеклокерамического источника на основе Al(PO3)3 является низкая пористость, так как скорость выделения P2O5 изменяется в процессе работы вследствие образования на его поверхности слоя AlPO4, который затрудняет выход пятиокиси фосфора из более глубоких слоев источника. Это приводит к изменению параметров источника в процессе его эксплуатации.
1.1.1.2.3. ТПИ на основе пирофосфата кремния
Для создания твердых планарных источников фосфора можно также использовать пирофосфат кремния [4]. Термическое разложение SiP2O7 происходит в соответствии с уравнением реакции:
SiP2O7 → P2O5 + SiO2.
Равновесное давление P2O5 при температурах 950 – 1100°С над пирофосфатом кремния значительно выше, чем над метафосфатом алюминия. Из-за высокой скорости разложения пирофосфата кремния при температурах диффузии в чистом виде для создания ТПИ он не используется. Для уменьшения скорости разложения, увеличения механической прочности и повышения срока службы в состав источников вводят инертный пассивирующий материал. Первоначально в качестве инертного материала использовали двуокись циркония ZrO2. Смесь порошков ZrO2 и SiP2O7 подвергали горячему прессованию при температурах 800 – 1500°С. Полученные циллиндрические бруски разрезали на пластины толщиной 0,5 – 1 мм. Недостатком таких источников является протекание реакции:
ZrO2 + P2O5 → ZrP2O7,
что приводит к связыванию части P2O5 в виде пирофосфата циркония, который представляет собой термически стабильное соединение до температур порядка 1400°С. В результате снижается срок службы источников.