29767

Монокристаллический кремний. Его применение, получение и свойства

Контрольная

Химия и фармакология

Применение полупроводникового кремния. тонн кремния ежегодно Япония США Германия. Это базовый материал микроэлектроники который потребляет 80 полупроводникового кремния. Более 90 всех солнечных элементов изготавливаются из кристаллического кремния.

Русский

2013-08-21

36.46 KB

96 чел.

Монокристаллический кремний. Его применение, получение и свойства.

Применение полупроводникового кремния.

В настоящее время во всём мире производится порядка 15 тыс. тонн кремния ежегодно (Япония, США, Германия). Кремний является основным материалом твёрдотельной электроники. Это базовый материал микроэлектроники, который потребляет 80% полупроводникового кремния. Кремний составляет 70% от всех потребляемых микроэлектроникой материалов. Тем не менее, заметную долю в общем объёме выпуска полупроводниковых изделий составляет кремниевые дискретные приборы – это выпрямительные, импульсные, СВЧ диоды, биполярные, полевые транзисторы.

Монокристаллический кремний является основным материалом и для изготовления приборов силовой электроники – это мощные диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные схемы. Они применяются при передаче электроэнергии на большие расстояния, в энергоёмких производствах, например, в металлургическом и химическом, в системах электропитания.

Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов, фотодиодов им фототранзисторов, разнообразных сенсорных устройств, прецизионных микромеханических систем. Важную роль кремний играет в быстроразвивающейся солнечной энергетике. Более 90% всех солнечных элементов изготавливаются из кристаллического кремния. Перспективным направлением является кремниевая оптоэлектроника. Здесь прежде всего следует отметить светоизлучающие приборы и фотодетекторы, интегрирование в кремниевую технологию.

Получение поликристаллического кремния электронного качества

Лишь несколько стран в мире обладают замкнутым технологическим циклом получения поликристаллического кремния (Япония, США, Германия). Исходным сырьём при получении кремния является природный минерал кварцит, основа которого диоксид кремния . Он восстанавливается в электропечах при температуре порядка  углерод содержащим материалом, как правило, малозольным коксом. Получаемый технический кремний содержит порядка 1% примесей. Поскольку для практического использования нужен кремний гораздо более высокой чистоты, далее следует стадия получения высокочистого поликристаллического кремния. В основе лежит широко используемый в мире так называемый сименс процесс. Это водородное восстановление кремния из трихлорсилана . Такая технология применяется для производства от 80% до 90% кремния во всём мире. Технология включает следующие этапы:

  1. Превращение технического кремния в легколетучее соединение .
  2.  Очистка  ректификацией.
  3.  Химическое осаждение поликристаллического кремния полупроводниковой чистоты на стержнях-затравках из газовой фазы в результате водородного восстановления очищенного . Реакция протекает при температуре .

Технология отработана настолько, что выход чистого кремния из составляет не менее 30%, что близко к теоретически возможному значению. Однако, несмотря на широкую распространённость и отлаженность сименс процесс является очень энергозатратной технологией. Кроме того использование в качестве промежуточного сырья  связано со значительными экологическими рисками производства.

Получение монокристаллического кремния

Выращивание монокристаллов кремния из поликристаллического кремния полупроводниковой чистоты в промышленных условиях осуществляется по методу Чохральского и бестигельной зонной плавкой.

1

6

2

3

4

5

7

8

9

10

Метод Чохральского. Этим методом выращивают до 80-90% монокристаллического кремния, потребляемого электронной промышленностью. Схема имеет следующий вид.

  1. Кварцевый тигель (основа )
  2.  Графитовый держатель тигля
  3.  Расплав кремния
  4.  Нагреватель
  5.  Тепловой экран
  6.  Держатель для крепления вращения тигля
  7.  Выращиваемый монокристалл кремния с затравкой
  8.  Держатель для крепления вращения выращиваемого монокристалла
  9.  Рабочая камера
  10.  Смотровое окно

Очищенный поликристаллический кремний полупроводникового качества или оборотный кремний, т.е. остатки от выращенного монокристаллического кремния, помещаются в тигель, производится вакуумирование камеры и плавление кремния. Выращивание монокристаллов в промышленных установках осуществляется в атмосфере инертного газа, чаще всего аргона, при пониженном давлении. Инертная атмосфера предотвращает окисление кремния и эрозию узлов установки, а пониженное давление позволяет частично очистить расплав кремния от летучих примесей за счёт их испарения.

Практически 100% монокристаллов выращивают без дислокационной структуры. Для этого после введения в контакт с расплавом затравочного кристалла производят выращивание очень тонкой шейки монокристалла диаметром порядка 3 мм. Кристалл становиться бездислокационным через несколько сантиметров от места затравливания, затем скорость выращивания уменьшается и происходит разрастание монокристалла до необходимого диаметра. Исчезновение дислокации при выращивании куска шейки связано со следующим. Основные дислокации в кремнии линейные и смешанные перемещаются по плоскости , поскольку она имеет наибольшую ретикулярную плотность. Поэтому, если направление выращивания не лежит в плоскости , то дислокация, зародившаяся на границе раздела твёрдое вещество-жидкость в момент затравливания обязательно выйдет на поверхность кристалла, при этом, чем меньше диаметр выращиваемого слитка, тем быстрее это произойдёт. По этой причине предпочтительными направлениями выращивания являются кристаллографические направления .

Когда все дислокации устранены дальнейшего их возникновения под действием тепловых условий роста не происходит. Дислокации могут образовываться в момент отрыва монокристалла от расплава и при попадании на фронт кристаллизации инородных частиц. Для того чтобы исключить первое выращивают обратный конус.

По методу Чохральского в промышленности в настоящее время наиболее распространено выращивание монокристаллов кремния диаметров 200 мм, длиной до 1,5 метров и отклонением по диаметру не более 3 мм. Максимальный диаметр слитков, выращиваемых в промышленном масштабе, составляет 300 мм.

В заданную марку по удельному электрическому сопротивлению попадают обычно 40-50% длины литка. Остальная часть разрезается на другие марки или идёт на переделку, это и есть оборотный кремний. Для получения монокристаллов с заданным удельным электрическим сопротивлением и типом проводимости в загрузку обычно вводят легирующий элемент в чистом виде, например, бор или сурьму. При получении кремния с удельным электрическим сопротивлением менее , т.е. высоколегированного кремния. При выращивании более высокоомных монокристаллов используют так называемую леготуру, т.е. сплав кремния с легирующим элементом в виде монокристалла с концентрацией легирующего элемента  и выше .

Основным недостатком этого метода является повышенная концентрация кислорода и углерода в монокристалле. Кроме того наблюдается неоднородное распределение дефектов и примесей по диаметру и длине слитка. Для выращиваемых кристаллов характерно также повышение концентрации примесей к концу слитка. Неравномерное распределение примеси объясняется различной растворимостью примеси в жидкой и твёрдой фазе. Как правило, в жидкой фазе растворимость примеси выше. В результате происходит разделение легирующего элемента между жидкой и твёрдой фазами. Этот эффект удаётся снизить с помощью различных технических приёмов. Например, осуществляют подпитку расплава по мере выращивания монокристалла, что обеспечивает поддержание концентрации легирующего элемента на постоянном уровне.

Для осуществления перемешивания расплава и сведение к минимуму неоднородности распределения температуры тигель и растущий монокристалл вращают в противоположных направлениях. Тем не менее, в центре фронта кристаллизации остаётся неподвижная область расплава, что обуславливает неравномерность распределения примесей по диаметру слитка.

Основная часть монокристаллов в кремнии, полученных по методу Чохральского, используется для производства интегральных схем и приборов, не требующих высоких значений удельного сопротивления до . Поскольку более высокоомные кристаллы затруднительно получать этим методом из-за загрязнения кислородом и другими примесями из материала тигля.

1

2

3

4

5

6

7

Бестигельная зонная плавка (БЗП). В последнее время этот метод получения монокристаллов в кремнии вызывает повышенный интерес, поскольку позволяет выращивать высокочистые монокристаллы кремния с малым содержанием кислорода и большим временем жизни носителей заряда. Схема установки имеет следующий вид.

1. Растущий монокристалл. 2. Расплав кремния. 3. Высокочастотный индуктор. 4. Исходный поликристаллический кремний. 5. Держатель для крепления-вращения растущего монокристалла. 6. Держатель для крепления-вращения исходного поликристаллического кремния. 7. Рабочая камера.

Узкая расплавленная зона создаётся с помощью высокочастотного индуктора и удерживается между твёрдыми частями за счёт сил поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжения обеспечивают возможность создания зоны расплава высотой до 1,5 см, причём эта величина не зависит от диаметра выращиваемого слитка. Вначале расплавляется конец  заготовки, к ней подводится затравка и далее, как и в случае метода Чохральского, вытягивается узкая шейка монокристалла за счёт перемещения расплавленной зоны. Затем выращивается бездислокационный монокристалл необходимого диаметра.

Причин получения очень чистых кристаллов этим методом несколько. Прежде всего, отсутствует тигель. Кроме того, в основе процесса очистки лежит различие в растворимости примесей твёрдой и жидкой фазах. По мере прохождения расплавленной зоны по слитку примеси накапливаются в расплаве. Часть слитка с повышенным содержанием примесей удаляется после завершения процесса. Перемещение зоны расплава по слитку может быть много кратным, что усиливает очистку монокристалла. Однако некоторые примеси, например бор, имеют коэффициент распределения в жидкой и твёрдой фазах близкий к единице, поэтому от них таким образом избавиться нельзя. Дополнительно ряд примесей удаляется за счёт испарения с поверхности расплавленной зоны. В результате концентрация кислорода в монокристаллах кремния, полученных этим методом на два порядка меньше, чем в монокристаллах, полученных метод Чохральского. Методом бестигельной зонной плавки могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному, удельному электрическим сопротивлением до . Легирование выращенного кристалла, как правило, проводят из газовой фазы путём введения в газ-носитель газообразных соединений легирующих примесей. Скорость выращивания монокристаллов таким методом вдвое больше чем по методу Чохральского, однако, технически более сложно увеличивать диаметр слитка. Диаметр выращиваемых слитков достигает 150 мм.

Свойства кремния

По распространённости в природе кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе не встречается. Наиболее распространенное соединение этого элемента – диоксид , из которого и получают кремний. В элементарном виде получен в начале XIX века, однако в чистом виде он стал широко применяться в полупроводниковой электронике только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки. Элементы 4-ой группы периодической системы, в которую входит кремний, образуют ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4. Они кристаллизуются в структуру типа алмаз.

Каждый атом в решётке алмаза является центром тетраэдра и окружён четырьмя соседними такими же атомами, расположенными в вершинах тетраэдра, поэтому такие полупроводники называются тетраэдрическими. В этой решётке можно выделить три важнейших семейства плоскостей . Отношение ретикулярных плотностей этих плоскостей следующее: РП =1:1,414:1,154.

Отсюда следует, что наиболее плотно упакованной плоскостью в структуре алмаза является плоскость . Однако необходимо учитывать взаимное расположение атомов плоскостей в пространстве. Плоскости  располагаются в пространстве равномерно, в то время как плоскости  попарно. Такое расположение плоскостей позволяет считать две плоскости ,находящиеся рядом за одну с удвоенной ретикулярной плоскостью атомов. В этом случае ретикулярная плотность плоскости  становится максимальной. Этим объясняется, что при равновесном росте кристалла кремния ограняется плоскостями  как наиболее плотно упакованными, кроме того скорость травления плоскости  наименьшая.

Некоторые основные свойства кремния

Температура плавления , ширина запрещённой зоны при 300 К 1,12 эВ, собственная концентрация носителей заряда при 300 К , собственное удельное электрическое сопротивление при 300 К , подвижность электронов и дырок соответственно 1400 и 500 , диэлектрическая проницаемость 11,7.

В видимой области спектра кремний сильно поглощает свет. Спектр его фоточувствительности находится в диапазоне длин волн от 300 до 1100 нм. В инфракрасной области спектра при длине волны более 1100 нм собственный кремний практически прозрачен. Легирование сопровождается увеличение коэффициента поглощения в этой области. Предельная растворимость основных примесей в кремнии не превышает . Ограниченная растворимость примесей в сочетании с относительно невысокой подвижностью носителей заряда затрудняет получение монокристаллов кремния с удельным сопротивлением менее .

В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он нерастворим в воде, не реагирует со многими кислотами, растворим лишь в азотной и плавиковой  кислот и кипящих расплавах щелочей, устойчив на воздухе до температуры , выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием . Однако, несмотря на такую инертность, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой до 50 ангстрем, так называемого естественного оксида. Присутствие такого тонкого оксидного слоя, тем не менее, может оказать существенное влияние на значение и воспроизводимость параметров изготавливаемых приборов. Почти со всеми металлами кремний образует силициды. Это используется в микроэлектронике для формирования диодов Шоттки с различными характеристиками. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии обладает высокой химической активностью, поэтому существуют проблемы с подбором тигельного материала для выращивания монокристалла из расплава.

Фоновые примеси в монокристаллическом кремнии

Основными фоновыми примесями в монокристаллах кремния являются кислород, углерод, азот, быстро диффундирующие примеси тяжёлых металлов. Основным источником кислорода в кремнии, выращенного по методу Чохральского, является, хоть и медленно, но растворяющейся в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. Кроме того кислород попадает в монокристалл из атмосферы камеры. Это приводит к тому, что концентрация кислорода в монокристаллах высока и в зависимости от условия выращивания находится в пределах , т.е. может быть даже выше концентрации легирующей примеси. Концентрация кислорода в кристаллах, полученных методом бестигельной зонной плавки, значительно ниже и обычно составляет .

Кислород в кремнии образует твёрдый раствор и является примесью, отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле 95% атомов кислорода находятся в междоузельном положении. Такие изолированные атомы кислорода в решётке кремния электрически нейтральны, но при температурах ниже  твёрдый раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В дальнейшем в результате термической обработки при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой и другими примесями и дефектами и образовывать электрически активные комплексы: микродефекты и термодоноры.

Высокая концентрация микродефектов и термодоноров затрудняет получение высококачественных монокристаллов с заданным значением удельного электрического сопротивления и вообще получения монокристаллов с удельным сопротивлением более .

Углерод в кремнии является одной из наиболее вредных фоновых примесей, оказывающей вместе с кислородом значительное влияние на электрические структурные характеристики материала. Углерод в кремнии является электрически нейтральной примесью замещения. Однако эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплекса точечных дефектов и влиять на процессы формирования термодоноров. Содержание углерода в кристаллах, полученных методом Чохральского и бестигельной зонной плавкой, составляет .

Основными источниками углерода в выращенных кристаллах являются монооксид и диоксид углерода  и , а также исходный поликристаллический кремний. Оксиды углерода появляются в результате взаимодействия монооксида кремния , образующегося в процессе выращивания монокристалла с горячими графитовыми элементами установки, а также в результате взаимодействия кварцевого тигля с графитовым держателем тигля. Окисление графитовых элементов кислородом.

Остаточная концентрация азота в кристаллах кремния, полученных по методу Чохральского и бестигельной зонной плавки, не превышает . Основными источниками азота являются атмосфера камеры и газовые выделения из графита. Азот является донором для кремния и его присутствие затрудняет получение высокоомного кремния, кроме того он влияет на процессы образования дислокаций в кремнии. Концентрация быстро диффундирующих примесей тяжёлых металлов, таких как железо, медь, золото, хром, цинк и т.д. в кристаллах кремния выращенных методом Чохральского и бестигельной зонной плавкой не превышает , а особо чистых, полученных многократной зонной плавкой - .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72546. МЕСТО НОТАРИАЛЬНЫХ ПАЛАТ В ОРГАНИЗАЦИИ ГРАЖДАНСКОГО ОБЩЕСТВА РОССИИ 186.5 KB
  Глубокие политические и социально-экономические преобразования в России возникновение и развитие рыночных отношений конституционное закрепление равенства частной государственной муниципальной и иных форм собственности обусловили серьезное видоизменение роли и значения многих традиционных...
72547. ПОНЯТИЕ И СУЩНОСТЬ БАНКА 130 KB
  Будучи юридическим лицом в качестве основной цели деятельности которого законодательно закреплено извлечение прибыли банк совершая банковские операции стремится увеличить превышение своих доходов над расходами. Движущим мотивом деятельности банка является не выполнение общеэкономических...
72548. ОСОБЕННОСТИ ПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ИМУЩЕСТВА ДОЛЖНИКА В КОНКУРСНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 138 KB
  Имущество должника в конкурсном производстве служит главной цели наиболее полному удовлетворению требований кредиторов. Закон О несостоятельности банкротстве далее Закон называет все имущество должника имеющееся в момент открытия конкурсного производства и выявленное в ходе конкурсного...
72550. ХРИСТИАНСКАЯ МОДЕЛЬ ЧЕЛОВЕКА И МОДЕЛЬ ПРЕСТУПНИКА: ИХ СООТНОШЕНИЕ 173 KB
  В начале 1990 г. Главный смысл содержания этого раздела заключался в том что партия как бы опомнившись от длительного летаргического сна впервые обратила свое внимание на человека не как на винтик в приводе государственной машины или лагерную пыль но как на действительную историческую реальность.
72551. ПОНЯТИЕ АДМИНИСТРАТИВНОЙ ПРОЦЕДУРЫ И КОНЦЕПЦИИ ЗАКОНОДАТЕЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АДМИНИСТРАТИВНЫХ ПРОЦЕДУР В ЗАРУБЕЖНЫХ ГОСУДАРСТВАХ 91 KB
  В науке административного права административные процедуры рассматриваются как составная часть административного процесса. В связи с этим наиболее типично следующее определение административной процедуры: административная процедура это нормативно установленный порядок последовательно...
72552. ПОЛНОМОЧИЯ, ПОРЯДОК ОБРАЗОВАНИЯ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ФЕДЕРАЛЬНОГО АРБИТРАЖНОГО СУДА МОСКОВСКОГО ОКРУГА 106.5 KB
  Согласно ст. 24 Федерального конституционного закона О судебной системе Российской Федерации Федеральный арбитражный суд округа: в пределах своей компетенции рассматривает дела в качестве суда кассационной инстанции а также по вновь открывшимся обстоятельствам; является вышестоящей судебной...
72553. РАЗВИТИЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА О ГРАЖДАНСТВЕ РОССИИ В ХХ ВЕКЕ 183 KB
  Декрет установил единый правовой статус всего населения России граждан Российской Республики. Кроме того Советское государство удовлетворило просьбу некоторых проживавших за границей бывших подданных Российской империи о принятии их в советское гражданство.
72554. ПРАВОВАЯ ПРИРОДА СТРАХОВЫХ ПРАВООТНОШЕНИЙ. ВИДЫ СТРАХОВЫХ РИСКОВ 132 KB
  Страхование как область знаний содержит обширный состав терминов имеет необходимую нормативно-правовую базу изучение которой необходимый этап в постижении форм видов и функций страхования. № 282 О создании Международного агентства по страхованию иностранных инвестиций в Российскую...