Диссертация (1090147), страница 28
Текст из файла (страница 28)
11. Виды кристаллического кремния [117]Таблица 6.1Виды кремния и технологии производства [117]ТипОбозначениеРазмерзернаМоно-sc-Si> 100 ммЧохральский (CZ), зонная плавка(FZ)Мульти-mc-Si1—100 ммЛитье, тонкие листы, лентыПоли-pc-Si1 мкм—1 ммХимическое осаждение изгазовой фазыАморфный-µc-Si< 1 мкмПлазменное осаждениеТехнология выращивания191Промышленное производство кремния включает в себя следующиеосновные этапа [117]:1) получениеметаллургического(технического)кремниякарботермическим восстановлением минерального кварцевого сырья вмощных электродуговых печах при температуре 2100 0 К (чистотакремния 98,5-99,5%);2) хлорирование металлургического кремния и превращение его влегколетучее соединение;3) глубокая очистка хлорсиланов в ректификационных установках;4) водородное восстановление в реакторах осаждения(Сименс-реакторах) и получение кремния в виде поликристаллических стержней(кремния 99,99%);5) конечная очистка кремния методом кристаллизации (кремний 99,999%);6) выращиваниемонокристалловкремниявростовыхкристаллизационных установках.Высокая реакционная способность кремния в расплавленном состояниивынуждает вести процессы выращивания кристаллов кремния в вакууме,либо в атмосфере защитного инертного газа.
Увеличение объема кремния впроцессе кристаллизации требует специальных технологических приемов,исключающих возможность затвердевания свободной поверхности раньшекристаллизации слитка. Эти факторы учитываются при создании технологиивыращивания монокристаллов кремния. На этом этапе вытягиваниямонокристаллаSiизполупроводниковогомонокристалловбестигельнойрасплавакремния.кремниязоннойпроисходитОсновнымиявляютсяплавки.методМетодокончательнаяметодамивыращиванияЧохральскогоЧохральскогоочисткаиметод(выращиваниемонокристаллов из расплава) имеет недостаток: загрязнение расплаварастворяющимся кварцевым тиглем. При этом в расплав попадают кислород192и ряд других примесей из кварцевого тигля. Поэтому был разработан методбестигельной зонной плавки (БЗП).
Особенностью метода БЗП являетсясоздание зоны расплава в стержне без применения контейнера. В качествеисточниканагревачащевсегоиспользуетсявысокочастотный(индукционный) метод нагрева. Бестигельный метод используется дляполучения особо чистых кристаллов.Поликристаллический кремний можно получить с помощью Сименсреактора (осаждение поликремния из газовой фазы с помощью водородноговосстановлениятрихлорсиланапривысокойтемпературе).Поликристаллический кремний перерабатывается в монокристаллический спредварительной стадией подготовки сырья и затравочных кристаллов (колкаполикристаллических стержней и удаление окисной пленки и другихзагрязнений).
Аморфный кремний получают при восстановлении SiO2магнием или алюминием (имеет высокий коэффициент оптическогопоглощения и является перспективным материалом для солнечных батарей).Наибольшую ценность для полупроводниковой техники представляетмонокристаллическийкремнийввидусовершенствакристаллическойрешетки.Природный кремний – это сочетание трех стабильный изотопов( 28 Si, 29 Si, 30 Si ) с процентным содержанием соответственно 92,27%; 4,68%;3,05%.
Для изготовления изотопических сверхрешеток из изотопов кремниянеобходимо использование изотопически чистых материалов. Поэтому кромеопераций по выделению элементарного кремния и его очистки отпосторонних химических элементов, необходима операция разделенияизотопов.Технологический процесс разделения изотоповРазделение изотопов – технологический процесс, в котором изматериала, состоящего из смеси различных изотопов одного итого жехимического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента[118,119].Разделение изотопов всегда сопряжено со значительными193трудностями, так как изотопы представляют из себя мало отличающиеся помассе вариации одного элемента, химически ведут себя практическиодинаково (скорость прохождения некоторых химических реакций можетотличаться в зависимости от изотопа элемента).
Для разделения можноиспользовать различия их в физических свойствах, например, массе. Однако,различия настолько малы, что за одну стадию разделения веществообогащается на сотые доли процента и процесс разделения повторяетсяогромное количество раз. На производительность подобной каскаднойсистемы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней ипотери искомого изотопа в отходном материале. На каждой стадии потокразделяется на две части: обогащенную и обедненную нужным изотопом.Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопав отработанной породе может легко превысить его массу в обогащеннойчасти. Для исключения такой потери ценного сырья обедненный потоккаждой последующей ступени попадается снова на вход предыдущей.В основе технологий разделения изотопов могут быть использованыследующие принципы:1) электромагнитное разделение;2) газовая диффузия;3) газовая или жидкостная термодиффузия;4) газовое центрифугирование;4) аэродинамическая сепарация;5) лазерное разделение изотопов;6) химическое обогащение;7) дистилляция;8) электролиз;9) фотохимическое разделение.Дляпромышленногоэлектромагнитныеиразделениягазоцентрифужныеизотоповтехнологии.
Этиприменяюттехнологии194позволяют разделить изотопы практически всех элементов таблицыМенделеева.Метод электромагнитного разделения основан на различном действиимагнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различноймассы. Установки, называемые калютронами, являются огромными массспектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитномполе, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам ипопадают в приемники, где и накапливаются.Наибольшеецентрифугирования.газообразнуюсмесьраспространениеВосновеизотоповполучиллежитметодследующийпропуститьчерезгазовогопринцип:есливысокоскоростныецентрифуги, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелыечастицы на слои (более тяжелые концентрируются на периферии), после чегоих собирают. Большое преимущество этого метода состоит в том, чтокоэффициент разделения зависит от абсолютной разницы масс, а не от ихотношения.
Центрифуги одинаково хорошо работают и с легкими, и стяжелыми изотопами. Степень разделения пропорциональна квадратуотношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда,желательно как можно сильнее раскрутить центрифугу. Типичные линейныескорости вращающихся роторов составляют величину 250-350 м/с (дляусовершенствованных центрифуг – более 600м/с). Типичный коэффициентсепарации – 1,01-1,1.Главное – технология получения газообразногосоединения, разделяемого на изотопы химического элемента.Изотопический кремний ( 28 Si ) широко используется в современноймикроэлектронике для производства микросхем с высокой плотностьюразмещения элементов (персональные компьютеры ПК), работающих набольших частотах.Это связано с тем, что процессоры ПК требуютпринудительного охлаждения.
Дальнейшая миниатюризация элементовмикросхем,повышениеплотностикомпоновкиирабочейчастотыограничиваются переносом тепла внутри кристалла микросхемы. Увеличить195теплопроводность кремния можно изменением его изотопического состава.Исследования показывают, что теплопроводность изотопа28Si до полуторараз выше, чем у природного кремния (рис.6.12, рис.6.13).
Поэтомупотребности промышленности в изотопе кремний -28 высоки. Задачаполучения изотопа28Siоблегчается за счет его высокого содержания(92,27%) в естественном кремнии. С увеличением номера изотопа кремнияизменяется и теплоемкость вещества (рис.6.14), что также учитывается прииспользовании в микроэлектронике и других отраслях.Рисунок 6.12. Теплопроводность изотопов кремния (верхняя кривая-28Si (99,96%) ;средняя -28Si (99,86%) ;нижняя -Si − nat (92,23%28Si ) )[119]196Рисунок 6.13. Теплопроводность изотопа кремния -28 в интервалетемператур 50-300К (верхняя кривая - 28 Si − 99,98% ; нижняя - Si − nat ) [119]Рисунок 6.14. Теплоемкость изотопов кремния (верхняя кривая - 28 Si ; средняя- 29 Si ; нижняя - 30 Si ) [119]Приизотопическойочисткекремнияоттяжелыхизотоповисключаются каналы рассеяния фононов в виде тяжелых изотопов, чтоулучшает перенос тепла. Это может отразиться на: 1) повышении энергиисвязиэкситоновипонижениизасчетэтогопорогагенерацииполупроводниковых лазеров, которое может происходить при комнатнойтемпературе; 2)снижении тепловых шумов фотоприемника за счет197уменьшения числа энергетических уровней электронов на дефектах; 3)усилении эффектов электропреломления и электропоглощения в оптическихмодуляторах (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
