5 марта 2017 г.

Глава 23. Невидимое должно стать видимым.

Глава 23. Невидимое должно стать видимым

Невидимки оставляют след.
И.Беккерман
Теперь я хочу немного поговорить о тех, кто ищет причины брака. Затем сделаем попытку рассмотреть расширение возможностей вепольного анализа, которое, на мой взгляд, может дать чуть-чуть большее представление о процессах, где возникает брак.
Нет, пожалуй, ни одной области в деятельности людей, где бы не было прославленных первооткрывателей, самых, самых умных, предвидящих, делающих то, что до них никто не делал. Это ученые, конструкторы, писатели, художники, путешественники, музыканты, военные, модельеры, банкиры, мэры, экономисты, криминалисты, и даже сами уголовники.
Интересно, что творчество можно рассматривать и принимать в двойственном виде - это творчество, приносящее пользу, положительное, и разрушающее, нарушающее законы государства и граждан.
Творческих специалистов нужно начинать готовить как можно раньше. Так уже в течение длительного времени готовят японских дипломатов, но так готовят и специалистов уголовного мира. В то же время для борьбы с уголовным миром, по-видимому, не готовят детективов.
Существует много различных профессий, которые непривлекательны для молодых людей - это, например, разработка и обслуживание очистительных сооружений, хранение продуктов, архивы и т.д. Возможно к ним, к этим профессиям относятся и поисковики причин брака. Очевидно, в определенное время, есть престижные специальности и не очень. Есть престижные предприятия и не очень, есть престижные корабли и не очень. Центрифуга жизни, в зависимости от целого набора параметров, разбрасывает людей на разные уровни - один работает в яслях, другой в школе, кто в институте, кто в академии, а кто и на заводе, фабрике, в шахтах. Одним из параметров, очевидно, является оплата труда. Конечно, интерес к работе, способности к творчеству - это тоже важно, но оплата - это фундамент существования. Везде двойственность - плата на производстве выше, чем в науке - часть людей из науки идет в производство, и наоборот. Есть один тезис, который наиболее важен: Как сделать свою работу наилучшим образом - получить высокий кпд с малыми затратами в любой области деятельности? Кому это надо? Самому человеку, если он обучен, воспитан и имеет склонность к творчеству, фирме, на которой он трудится, Природе, чтобы она больше сохранилась?
На самом деле вся промышленность, как добывающая, так и обрабатывающая, изготавливающая изделия, создает много брака. Это громадные потери всего - людских и материальных ресурсов. Поставим вопрос: "Есть ли специалисты по предотвращению образования брака, поиску причин и устранению брака в любой человеческой деятельности?" Я думаю - нет, хотя с этим ответом можно и поспорить. Речь идет о специально обученных, подготовленных людях, владеющих этой профессией. В Америке есть «фабрики мысли», которые занимаются чем-то подобным. На предприятие приглашаются специалисты, которые решают вопросы улучшения производства за счет социальных, технологических, психологических факторов, управления производством и т.д. Особо бурно развивалась система повышения качества в Японии [139]. Они достигли громадных успехов. Представляет интерес то обстоятельство, что в борьбе, или лучше сказать, в повышении и поддержании качества продукции участвуют практически все рабочие и инженеры, используя несколько приемов, в том числе схему Исикавы, графики Парето и т.д.
Возможно, должны быть фирмы, имеющие специалистов, отобранных и обученных быстро находить и устранять причины брака. Если такой специалист работает на предприятии, то использовать его сложно - возможно лучше пригласить со стороны, а может лучше объединять усилия местных и приглашенных. У нас обычно как в пословице - «в своем отечестве пророков нет».
Цель - иметь 100% выпуска годной продукции с высокими качеством и надежностью, без отказов и загрязнения окружающей среды. Если это вырубка леса - то сразу же и посадка новых деревьев, если это добыча нефти, газа или угля - то заполнение шахт и т.д.
Конечно, таких профессионалов надо иметь много, в идеале - всех людей. Именно поэтому следует обучать людей тому, с чем им придется сталкиваться в жизни и, в первую очередь - поиску брака, к которому относятся и преступники, и загрязнение природы; изделия с низким качеством и различные технологические процессы. Очевидно, обучение и воспитание следует начинать буквально с детского возраста.
За свою жизнь, я бы не сказал, что видел много талантливых людей, но все же видел. Эти встречи оставляют память на всю жизнь. Я видел одного выдающегося конструктора пушек, я с ним разговаривал, когда мне было 14 лет. Впечатление потрясающее. Я играл в шахматы в 16 лет с одним мастером спорта, не зная, что он мастер. Он заставил меня так крепко думать, что у меня заболела голова, но я все равно проиграл: он мне впервые продемонстрировал, что можно человека заставить ходить (играть) так, как хочет партнер. Потом я много раз наблюдал в жизненных ситуациях как бы шахматные аналогии - «некто» заставлял других делать те ходы, которые были ему нужны. Я много читал, и некоторые поэты и писатели произвели на меня громадное впечатление. Я служил со смелыми командирами эскадренных миноносцев. Я видел одного токаря, которому можно было сразу присваивать звание «народного артиста СССР». Я был знаком с одним карманником, которому можно было за его искусство присвоить звание «заслуженный деятель карманного бизнеса».
Но я не видел столь блестящих поисковиков брака, тех, кто пришел, увидел - разобрался, победил. Скорее наоборот, я видел другое - разнообразный брак идет годами и его с громадным трудом удается обнаружить, объяснить и устранить. Может я не прав, но у меня сложилось впечатление, что если и есть поисковики, то великих поисковиков причин выявления брака немного, да и те не особенно широко известны. Это объясняется, по-видимому, тем, что технологические работы - как бы не для широкой публики, а результаты деятельности не так изящны и красивы как стихи, картины, книги, статьи, рекорды и т.д.
Теперь вернемся к вопросам, которые обещали рассмотреть в начале параграфа.
Возьмем четыре случая появления брака.
   Изгиб пластинок кремния. Практически сразу можно было определить, что если обе стороны обрабатывать одинаково, то они ломаться не будут. Так и сделали. Брак был устранен, причины его вызывающие никого не интересовали. Мне же этот эффект не давал покоя, и я его впоследствии стал исследовать.
   Брак «черный алюминий». Этот брак появляется внезапно, затем пропадает. Редко, но бывают случаи, когда он достигает 100%. Вообще говоря, подсказки были, но я, да и не только я, были к ним глухи. Так, например, в декабре, когда в цехе было достаточно холодно - брак был сплошной. Вторая подсказка - на пластине ровно половина кристаллов была годной, а вторая половина - "черная".
Итак, мы пошли «своим путем». Разобрались в механизме образования «цветного» алюминия. “Травитель” на основе уксусной кислоты с добавкой плавиковой довольно вязкий, и он по каким-то причинам после травления остается в виде капель в окнах окисла на алюминии. Во время промывки в воде в капле образуется слабая плавиковая кислота, которая и взаимодействует с алюминием. Если это так, то мы должны: быстро смывать «капли» холодной водой, нейтрализовать плавиковую кислоту, например, щелочью. В качестве ресурса можно использовать и уксусную кислоту. Перед промывкой в воде можно выдержать пластины с каплями в уксусной кислоте. Все эти методы дали хороший результат. Но ведь не всегда алюминий чернеет! Я не привожу различные гипотезы, которые были высказаны и опробованы и не дали результата. Главный вывод - мы потратили годы на борьбу с этим видом брака - как только он появлялся, применяли предложенный метод, как он исчезал, постепенно его исключали. Прошло много лет и я, изредка думая об этом виде брака, вдруг сообразил: "Ведь вполне вероятно, что травление алюминия зависит от температуры “травителя”, в котором мы травим окисел". Известно, что вязкость веществ зависит от температуры. Если травитель имеет температуру +10 °С, то он будет более вязкий, чем “травитель” при Т = +30 °С. Эта гипотеза заставила меня покраснеть и удивиться своей недогадливости. Сейчас эта гипотеза проверяется.
3. Если в первой задаче было одно вещество - пластинка кремния, во второй два вещества - “травитель” и пластинка кремния с ИС, защищенная окислом, то в третьей задаче имеется много веществ и полей. При проведении операции «загонка» бора в кремний при температуре печи 1000 °С и «разгонка» бора при температуре печи 1050 °С (для получения коллекторного перехода) образуются вольтамперные характеристики с областью «мягкого» пробоя. На рис. 35 показана нормальная, жесткая характеристика (1) и характеристика с областью мягкого пробоя (2).
При таком пробое или при такой ВАХ эмиттер получить не удается, а сама «мягкость» определяется присутствием в области пространственного заряда быстро диффундирующих примесей металлов- железа, никеля и т.д. Где и откуда попадают примеси в кремний?- вот вопросы, которые требовалось решить. Брак по виду ВАХ достигал 60-80%, но этот вид брака мы получили в процессе разработки прибора, а не в серийном производстве. Сразу скажу, что в то время мы не поставили вопрос - почему этого вида брака не было раньше?
Я проверил все эти элементы, вещества и, в конце концов, нашли причину. Искали долго - несколько месяцев. Проверили и все предыдущие операции. Что надо было бы сделать, чтобы быстрее найти место где образуется брак? - Посмотреть с помощью спектрального анализа есть ли загрязнения на предыдущей операции. Нет, значит примеси попадали в самой кварцевой трубке на операции «загонка». (Ищи, где потерял!)
 
Рис. 35. Обратная ветвь ВАХ p-n перехода.
(1 - жесткая, 2 - мягкая)
Схема проведения операции «загонка бора» показана на
рис. 36.
Рис. 36 Схема операции «Загонки бора»
(1 - нагреватель, 2 - лодочка с окислом бора (В2О3), 3 - кассета с пластинками кремния, 4 - пластинки кремния, 5 - выход газа с парами В2О3, 6 - вход газа, 7 - боросиликатное стекло на внутренней стенке трубы, 8 - кварцевая труба, 9 -заглушка, 10 - пары В2О3)
 
Итак, когда и где надо было искать примеси? Вот возможные варианты ответов:
1.        после химической обработки пластин перед «загонкой»;
2.        в эпитаксиальных слоях кремния, либо в самом кремнии-
подложке;
3.        в кварцевой трубе, оснастке;
4.        на пинцетах;
5.        в источнике В2O3;
6.        в газовых средах - кислороде, азоте, которые продуваются через трубу;
7.        на предыдущих операциях.
Воспользуемся принципом компенсации. Внутренняя стенка трубы насыщается боросиликатным стеклом за счет В2O3 . Эта операция проводится для того, чтобы получалась воспроизводимой величина поверхностного сопротивления на кремнии Rs.
Из литературы известно, что боросиликатное стекло (БСС) может быть геттером, то есть захватывать примеси металлов. При высокой температуре нагреватель печи, обычно это провод (сплав), испаряет малые количества атомов металла, которые оседают на наружную поверхность кварцевой трубы. Примесь может попадать и из других элементов печи. Атомы металла диффундируют через кварц внутрь стенки, и этой диффузии помогает геттер БСС. А вот дальше происходит очень любопытный процесс: казалось бы примеси металлов должны собраться в БСС, а оказалось, что происходит процесс, который получил название «редиффузия». Примеси редиффундируют из БСС в объем трубы, попадают на пластины кремния и легко проникают внутрь, концентрируясь в области кремния, легированной бором, где их растворимость выше, чем в кремнии. Т.о., была выдвинута гипотеза. Теперь сформулируем противоречие. Стенки трубы должны быть толстыми, чтобы увеличить путь прохождения примесей металла и в то же время тонкими, чтобы не изменять температурный профиль в трубе. Разрешить это противоречие можно следующим образом - сделать трубу одновременно толстой и тонкой. Следует сварить две трубы (матрешка), одна в другой с зазором между ними. Собственно, это был проведен противоположный эксперимент - резко увеличили толщину трубы. Более того, между трубами разместили геттер-боросиликатное стекло и одновременно проводили продувку газом. Результат получился отличный - «мягких» ВАХ практически не стало. Однако, руководство не хотело использовать двойные трубы - дорого. И вот что интересно, не успели мы опробовать двойные трубы, как пришел журнал «Электроника», в котором была опубликована коротенькая заметка об использовании двойных кварцевых труб на некоторых американских фирмах. Эта заметка надломила психологию начальства, и они дали «добро». В дальнейшем оказалось, что и на нескольких операциях при изготовлении МОП-ИС двойные трубы дали отличный результат. На рис. 37 показана двойная труба.
Рис. 37 Двойная кварцевая труба.
1 - отверстие для входа газов, 2 -трубка, 3 - наружная стенка трубы, 4 - отверстие для выхода газов, 5 - шлиф с пробкой на выходе рабочей трубы, d1 = 60 мм, d2 = 70 мм, L = 1200 мм.
Итак, можно было бы задачу решить быстрее, используя два эксперимента:
5.       измерение концентрации примесей перед операцией «загонка» и на самой операции;
6.       выдвинуть гипотезу, используя принцип компенсации и формулируя противоречие для самой трубы;
7.       разрешить противоречие и предложить конструкцию двойной трубы.
Теперь вернемся к вопросу: "Почему этого вида брака не было раньше?" Ответ: "Была более низкая температура «загонки» бора." Задним числом я понимаю, что это была бы чрезвычайно сильная подсказка, но, по-видимому, к ней нужно было быть готовым.
Далее, мы провели несколько исследований. В частности, исследовали влияние расхода кислорода в рабочей трубе и расхода аргона и кислорода между трубами на скорость роста толщины окисла кремния (см. графики на рис. 38) и сняли зависимость величины заряда на границе Si-SiO2 (Qss) от температуры печи (см. рис. 39). Из графиков видно, что максимальная скорость роста толщины окисла происходит при пропускании между трубами влажного кислорода, а величина заряда Qss меньше в двойной трубе. Рассматривая график на рис. 39 и зная, что после окисления в поверхностном слое кремния образуются дефекты от попадания в кремний кислорода, я начал думать, а нельзя ли уменьшить проникновение атомов кислорода в кремний?
4. Меня не оставляла мысль, а почему другие технологи, исследователи не видят громадного несоответствия, заключающегося в том, что в течение всего процесса окисления подается постоянный расход влажного и сухого кислорода. Особо на начальном участке окисления
 
Рис. 38. Зависимость толщины окисла кремния (X0) от времени во влажном кислороде (при температуре воды 95 °С и температуре печи 1050 °С)
Расход кислорода в рабочей трубе - 30 л/ч. Расход аргона и кислорода между трубами - 30 л/ч. 1 - между трубами влажный кислород, 2 - между трубами сухой кислород, 3 - между трубами аргон, 4 - одинарная труба.
Рис. 39. Зависимость Qss от температуры печи для одинарной (1) и двойной (2) трубы.
 
- еще окисла нет, а расход такой же, как и в конце окисления, когда окисел уже вырос.
Я как-то начертил график и к нему подстроил зависимость расхода кислорода и паров воды, которая представляет собой линию параллельную оси времени (рис. 40). Сижу и думаю. Вдруг ко мне заходит В.И. Соколов - ведущий инженер, а впоследствии доктор физико-математических наук, и я ему говорю:
- Володя, посмотри на графики, как бы мне подавать расход кислорода, чтобы в начальный момент окисления подавалось мало кислорода, а в конце много?
-А чего тут думать, - ответил Владимир Иванович - подавай кислород по кривой окисления.
Интересно, а когда я бы высказал эту идею? Конечно, по такой зависимости подавать кислород нельзя, но ступенчато - можно.
Рис. 40. Совмещенный график расхода кислорода и паров воды с ростом толщины окисла кремния.
Как видно из рис.40, на начальном этапе окисла нет, а расход кислорода большой, и есть возможность диффузии кислорода в поверхность кремния.
Проведенные эксперименты показали, что если вначале подавать сухой кислород с азотом, затем - сухой кислород, а после этого, постепенно повышая влажность, опять влажный кислород, то дефектов в кремнии оказывается значительно меньше. Естественно, невидимые дефекты в кремнии становятся видимыми, если поверхность кремния протравить в "травителе" «Сиртла».
Итак, мы рассмотрели четыре задачи. Сделаем попытку представить решение двух задач с помощью слегка изменённого вепольного анализа.
Представим себе вещество В1 в виде квадрата в квадрате, в котором я могу вписать некоторые, нужные мне свойства (рис. 41):
Рис. 41. Схема вепольного анализа твердого вещества.
- твёрдое вещество; В1 - это окисел, пленка, окраска и т.д.; Пт - температура В; Пм - поле механических напряжений; Пкол - колебание атомов; В' - примеси; В- - отсутствие атома, поры, вакансии; В'' - дефекты.)
На границе В - В1 возникает контактная разность потенциалов (КРП) и поле механических напряжений (ПКРП).
На поверхности В и В’ действуют силы поверхностного натяжения Пспн, П’спн
На вещество В действует целый сонм полей и частиц, которые мы не видим, но которые для решения определенных задач могут играть определённую роль: П2 - гравитационное поле, П3 - световое поле, П4 - температурное поле, П5 - электромагнитное поле,
П6 - магнитное поле.
Кроме того, следует учитывать действие частиц влаги, газов и т.д. На рис. 41 указано значение некоторых параметров, например, температура +10° С, толщина окисла 50 Ангстрем.
Аналогично рассмотрим жидкость, обозначив ее в виде окружности (рис. 42). На рисунке обозначены: В - жидкость, Пспн - силы поверхностного натяжения, Пд - давление в жидкости, Пт - температура жидкости, В' - примеси в жидкости, В'' - адсорбция молекул газов на поверхности, Пв - вязкость жидкости, РН - концентрация ионов Н· и ОН-, e - диэлектрическая постоянная жидкости.
 
Рис. 42. Схема вепольного анализа жидкостей.
Ну, и, наконец, рассмотрим газы (рис 43):
Рис. 43. Схема вепольного анализа газов.
В - молекулы газа, В1 - примеси, Пт - температура, Пкол - колебания молекул; П1, П2, П3, П4, П5 - внешние воздействия.
Решая задачу, мы вправе вписывать дополнительные параметры, которые, по нашему мнению, для нас представляют интерес. Например, для твердого тела и жидкости - работу выхода электронов, для твердого тела - свободную энергию Гиббса, для жидкости - рН активность и т.д. Более того, мы можем углубить представление о процессе вплоть до построения молекул и атомов и их взаимодействия.
Теперь представим взаимодействия с помощью закона полноты частей системы, и посмотрим, как они будут выглядеть в схеме вепольного анализа.
Итак, пластинка с Т=20°С находится в “травителе” с Т=10 °С. Система управления для травителя - температура. Таким образом, увеличивая температуру травителя до 25-30°С, можно понизить вязкость «травителя», температуру которого никто никогда не контролировал.
Интересно, что инструмент (“травитель”) взаимодействует со всей поверхностью изделия (пластинки). Она погружается в травитель, но травление проходит только на поверхности 1:
Усовершенствованный вепольный анализ твердого вещества показан на рис. 44.
Рис. 44. Усовершенствованный вепольный анализ твердого
вещества.
В1 - рабочий орган печи; П1 - энергия, подводимая к нагревателю;П’’’Т- температура пластинки кремния; В2 - кварцевая труба с П''Т ниже чем у нагревателя; В2' - барьер, В3 - пластинки кремния и В4 -газовый зазор между трубой и пластинками; В5 - газ, подающийся в трубу; П2 - энергия, затрачиваемая на подачу газа; В1' - примесь металла, испаряющегося из нагревателя (проходит кварцевую трубу и попадает на кремний В3).
 
Попробуем представить этот процесс с помощью усовершенствованного вепольного анализа (УВА).
При Т=1050 °С примесь В1' проходит через кварц и попадает на пластинку кремния.
Боросиликатное стекло В6 геттерирует примеси и отдает в трубу (т.е. работает как насос). Если температура ниже 1000 °С, то примесей будет ничтожно мало. Чтобы уменьшить попадание примеси надо поставить на пути примеси барьер (В2' в области а на рис. 44). Примесь попадает в зазор и уносится газами.
Такие построения позволяют, как мне представляется, легче вызвать мысль о причине брака.
Естественно, это предложение не может у всех решателей вызвать бурный восторг, но все же тот, кто попробует этот метод, возможно, почувствует облегчение при попытке найти причину брака.
Заканчивая этот параграф, хочу отметить, что по аналогии с радиолампами в кремниевые пластинки в каждом кристалле возможно разместить постоянный геттер, который бы очищал от примесей объем кремния, в котором расположен n-p-n (p-n-p) транзисторы. Такие попытки были, но они дали противоречивые результаты - в кристаллах возникали большие механические напряжения, что приводило к ломке пластин во время их скрайбирования, но в то же время выход годных кристаллов был выше.
И последнее. А нет ли в живых организмах двойных трубок, стенок? Даже мембраны и аксоны представляют собой двойные трубки, очевидно, не такие, как кварцевая двойная труба, но тем не менее двойные.
Блажен, кто в заботе о теле
Всю жизнь прожил ради хлеба,
Но небо светлее над теми,
Кто изредка смотрит на небо.
Игорь Губерман [44]