монокристалічний кремній

Назва роботи: Монокристалічний кремній. Його застосування, отримання і властивості

Предметна область: Хімія та фармакологія

Опис: Застосування напівпровідникового кремнію. тонн кремнію щорічно Японія США Німеччина. Це базовий матеріал мікроелектроніки який споживає 80 напівпровідникового кремнію. Більше 90 всіх сонячних елементів виготовляються з кристалічного кремнію.

Розмір файлу: 36.46 KB

Роботу скачали: 115 чол.

Застосування напівпровідникового кремнію.

В даний час в усьому світі проводиться близько 15 тис. Тонн кремнію щорічно (Японія, США, Німеччина). Кремній є основним матеріалом твердотільної електроніки. Це базовий матеріал мікроелектроніки, який споживає 80% напівпровідникового кремнію. Кремній становить 70% від всіх споживаних мікроелектронікою матеріалів. Проте, помітну частку в загальному обсязі випуску напівпровідникових виробів становить кремнієві дискретні прилади # 150; це випрямні, імпульсні, НВЧ діоди, біполярні, польові транзистори.

Монокристалічний кремній є основним матеріалом і для виготовлення приладів силової електроніки # 150; це потужні діоди, тиристори, транзистори, інтегральні схеми. Вони застосовуються при передачі електроенергії на великі відстані, в енергоємних виробництвах, наприклад, в металургійному та хімічному, в системах електроживлення.

Кремній широко застосовується для виробництва фоточутливих приладів, фотодіодів їм фототранзисторів, різноманітних сенсорних пристроїв, прецизійних мікромеханічних систем. Важливу роль кремній відіграє в динамічній сонячній енергетиці. Більше 90% всіх сонячних елементів виготовляються з кристалічного кремнію. Перспективним напрямком є кремнієва оптоелектроніка. Тут перш за все слід зазначити светоизлучающие прилади та фотодетектори, інтегрування в кремнієву технологію.

Отримання полікристалічного кремнію електронного якості

Лише кілька країн у світі мають замкнутим технологічним циклом отримання полікристалічного кремнію (Японія, США, Німеччина). Початковою сировиною при отриманні кремнію є природний мінерал кварцит, основа якого діоксид кремнію. Він відновлюється в електропечах при температурі близько вуглець містить матеріалом, як правило, малозольних коксом. Одержуваний технічний кремній містить близько 1% домішок. Оскільки для практичного використання потрібен кремній набагато більш високої чистоти, далі йде стадія отримання високочистого полікристалічного кремнію. В основі лежить широко використовуваний в світі так званий сіменс процес. Це водневе відновлення кремнію з трихлорсилану. Така технологія застосовується для виробництва від 80% до 90% кремнію в усьому світі. Технологія включає наступні етапи:

Перетворення технічного кремнію в Легколетюча з'єднання.
Очищення ректифікацією.
Хімічне осадження полікристалічного кремнію напівпровідникової чистоти на стрижнях-затравки з газової фази в результаті водневого відновлення очищеного. Реакція протікає при температурі.

Технологія відпрацьована настільки, що вихід чистого кремнію з становить не менше 30%, що близько до теоретично можливого значення. Однак, незважаючи на широку поширеність і налагодженість сіменс процес є дуже енерговитратній технологією. Крім того використання в якості проміжного сировини пов'язано зі значними екологічними ризиками виробництва.

Отримання монокристалічного кремнію

Вирощування монокристалів кремнію з полікристалічного кремнію напівпровідникової чистоти в промислових умовах здійснюється за методом Чохральського і бестигельной зонної плавкою.

Метод Чохральського. Цим методом вирощують до 80-90% монокристалічного кремнію, споживаного електронної промисловістю. Схема має такий вигляд.

Кварцовий тигель (основа)
Графітовий тримач тигля
розплав кремнію
нагрівач
тепловий екран
Тримач для кріплення обертання тигля
Вирощували монокристал кремнію з запалом
Тримач для кріплення обертання вирощуваного монокристала
робоча камера
оглядове вікно

Очищений полікристалічний кремній напівпровідникової якості або оборотний кремній, тобто залишки від вирощеного монокристалічного кремнію, поміщаються в тигель, проводиться вакуумирование камери і плавлення кремнію. Вирощування монокристалів в промислових установках здійснюється в атмосфері інертного газу, найчастіше аргону, при зниженому тиску. Інертна атмосфера запобігає окисленню кремнію і ерозію вузлів установки, а знижений тиск дозволяє частково очистити розплав кремнію від летючих домішок за рахунок їх випаровування.

Практично 100% монокристалів вирощують без дислокаційної структури. Для цього після введення в контакт з розплавом затравочного кристала виробляють вирощування дуже тонкої шийки монокристалла діаметром близько 3 мм. Кристал ставати бездислокаційних через кілька сантиметрів від місця затравліваніе, потім швидкість вирощування зменшується і відбувається розростання монокристалла до необхідного діаметра. Зникнення дислокації при вирощуванні шматка шийки пов'язано з наступним. Основні дислокації в кремнії лінійні і змішані переміщаються по площині. оскільки вона має найбільшу ретикулярну щільність. Тому, якщо напрямок вирощування не лежить в площині. то дислокація, що зародилася на межі поділу тверда речовина-рідина в момент затравліваніе обов'язково вийде на поверхню кристала, при цьому, чим менше діаметр вирощуваного злитка, тим швидше це відбудеться. З цієї причини кращими напрямками вирощування є кристалографічні напрямки.

Коли все дислокації усунені подальшого їх виникнення під дією теплових умов зростання не відбувається. Дислокації можуть утворюватися в момент відриву монокристалла від розплаву і при попаданні на фронт кристалізації сторонніх часток. Для того щоб крім перших вирощують зворотний конус.

За методом Чохральського в промисловості в даний час найбільш поширене вирощування монокристалів кремнію діаметрів 200 мм, довжиною до 1,5 метрів і відхиленням по діаметру не більше 3 мм. Максимальний діаметр злитків, вирощуваних в промисловому масштабі, становить 300 мм.

В задану марку по питомій електричному опору потрапляють зазвичай 40-50% довжини литка. Інша частина розрізається на інші марки або йде на переробку, це і є оборотний кремній. Для отримання монокристалів із заданим питомим електричним опором і типом провідності в завантаження зазвичай вводять легуючий елемент в чистому вигляді, наприклад, бор або сурму. При отриманні кремнію з питомим електричним опором менш. тобто високолегованого кремнію. При вирощуванні більш високоомних монокристалів використовують так звану леготуру, тобто сплав кремнію з легуючим елементом у вигляді монокристала з концентрацією легуючого елемента і вище.

Основним недоліком цього методу є підвищена концентрація кисню і вуглецю в монокристалі. Крім того спостерігається неоднорідне розподіл дефектів і домішок по діаметру і довжині злитка. Для вирощуваних кристалів характерно також підвищення концентрації домішок до кінця злитка. Нерівномірний розподіл домішки пояснюється різною розчинністю домішки в рідкій і твердій фазі. Як правило, в рідкій фазі розчинність домішки вище. В результаті відбувається поділ легуючого елемента між рідкої і твердої фазами. Цей ефект вдається знизити з допомогою різних технічних прийомів. Наприклад, здійснюють підживлення розплаву в міру вирощування монокристалів, що забезпечує підтримку концентрації легуючого елемента на постійному рівні.

Для здійснення перемішування розплаву і зведення до мінімуму неоднорідності розподілу температури тигель і зростаючий монокристал обертають в протилежних напрямках. Проте, в центрі фронту кристалізації залишається нерухома область розплаву, що обумовлює нерівномірність розподілу домішок по діаметру зливка.

Основна частина монокристалів в кремнії, отриманих за методом Чохральського, використовується для виробництва інтегральних схем і приладів, які не потребують високих значень питомої опору до. Оскільки більш високоомні кристали важко отримувати цим методом через забруднення киснем та іншими домішками з матеріалу тигля.

1. Зростаючий монокристал. 2. Розплав кремнію. 3. Високочастотний індуктор. 4. Вихідний полікристалічний кремній. 5. Тримач для кріплення-обертання зростаючого монокристалла. 6. Тримач для кріплення-обертання вихідного полікристалічного кремнію. 7. Робоча камера.

Вузька розплавлена зона створюється за допомогою високочастотного індуктора і утримується між твердими частинами за рахунок сил поверхневого натягу. Сили поверхневого натягу забезпечують можливість створення зони розплаву висотою до 1,5 см, причому ця величина не залежить від діаметра вирощуваного злитка. Спочатку розплавляється кінець заготовки, до неї підводиться запал і далі, як і в разі методу Чохральського, витягується вузька шийка монокристалла за рахунок переміщення розплавленої зони. Потім вирощується бездислокаційних монокристал необхідного діаметра.

За поширеністю в природі кремній посідає друге місце після кисню. У вільному стані в природі не зустрічається. Найбільш поширене з'єднання цього елемента # 150; діоксид. з якого і отримують кремній. В елементарному вигляді отриманий на початку XIX століття, однак в чистому вигляді він став широко застосовуватися в напівпровідниковій електроніці тільки в другій половині XX століття після розробки ефективних методів його очищення. Елементи 4-ої групи періодичної системи, в яку входить кремній, утворюють ковалентні зв'язки з низьким координаційним числом, рівним 4. Вони кристалізуються в структуру типу алмаз.

Кожен атом в решітці алмазу є центром тетраедра і оточений чотирма сусідніми такими ж атомами, розташованими в вершинах тетраедра, тому такі напівпровідники називаються тетраедричних. У цій решітці можна виділити три найважливіших сімейства площин. Ставлення ретикулярних щільності цих площин наступне: РП = 1: 1,414: 1,154.

Звідси випливає, що найбільш щільно упакованої площиною в структурі алмазу є площину. Однак необхідно враховувати взаємне розташування атомів площин в просторі. Площині розташовуються в просторі рівномірно, в той час як площини попарно. Таке розташування площин дозволяє вважати дві площини, що знаходяться поруч за одну з подвоєною ретикулярної площиною атомів. В цьому випадку ретикулярна щільність площині стає максимальною. Цим пояснюється, що при рівноважному зростанні кристала кремнію огранювати площинами як найбільш щільно упакованими, крім того швидкість травлення площині найменша.

Деякі основні властивості кремнію

Температура плавлення. ширина забороненої зони при 300 К 1,12 еВ, власна концентрація носіїв заряду при 300 К. власне питомий електричний опір при 300 К. рухливість електронів і дірок відповідно 1400 і 500. діелектрична проникність 11,7.

У видимій області спектра кремній сильно поглинає світло. Спектр його фоточутливості знаходиться в діапазоні довжин хвиль від 300 до 1100 нм. В інфрачервоній області спектра при довжині хвилі понад 1100 нм власний кремній практично прозорий. Легування супроводжується збільшення коефіцієнта поглинання в цій області. Гранична розчинність основних домішок в кремнії не перевищує. Обмежена розчинність домішок в поєднанні з відносно невисокою рухливістю носіїв заряду ускладнює отримання монокристалів кремнію з питомим опором менш.

У хімічному відношенні кристалічний кремній при кімнатній температурі є досить інертною речовиною. Він не розчиняється у воді, не реагує з багатьма кислотами, розчинний лише в азотної і плавикової кислот і киплячих розплавах лугів, стійкий на повітрі до температури. вище цієї температури починає інтенсивно окислюватися з утворенням. Однак, незважаючи на таку інертність, на поверхні кремнію завжди є тонкий шар до 50 ангстрем, так званого природного оксиду. Присутність такого тонкого оксидного шару, тим не менш, може зробити істотний вплив на значення і відтворюваність параметрів виготовляються приладів. Майже з усіма металами кремній утворює силіциди. Це використовується в мікроелектроніці для формування діодів Шотткі з різними характеристиками. Кремній має порівняно високу температуру плавлення і в розплавленому стані має високу хімічну активність, тому існують проблеми з підбором тигельного матеріалу для вирощування монокристалів з розплаву.

Фонові домішки в монокристаллическом кремнії

Основними фоновими домішками в монокристалах кремнію є кисень, вуглець, азот, швидко диффундирующие домішки важких металів. Основним джерелом кисню в кремнії, вирощеного за методом Чохральського, є, хоч і повільно, але розчиняється в процесі вирощування монокристалів кварцовий тигель. Крім того кисень потрапляє в монокристал з атмосфери камери. Це призводить до того, що концентрація кисню в монокристалах висока і в залежності від умови вирощування знаходиться в межах. тобто може бути навіть вище концентрації легуючої домішки. Концентрація кисню в кристалах, отриманих методом бестигельной зонного плавлення, значно нижче і зазвичай становить.

Кисень в кремнії утворює твердий розчин і є домішкою, що відрізняється дуже складною поведінкою. У вирощеному монокристалле 95% атомів кисню знаходяться в міжвузольні положенні. Такі ізольовані атоми кисню в решітці кремнію електрично нейтральні, але при температурах нижче твердий розчин стає пересиченим, що призводить до його розпаду і утворення різного роду комплексів і дефектів структури. Надалі в результаті термічної обробки при виготовленні приладів атоми кисню можуть взаємодіяти між собою і іншими домішками і дефектами і утворювати електрично активні комплекси: мікродефекти і термодоноров.

Висока концентрація микродефектов і термодоноров ускладнює отримання високоякісних монокристалів із заданим значенням питомої електричного опору і взагалі отримання монокристалів з питомим опором більше.

Основними джерелами вуглецю в вирощених кристалах є монооксид і діоксид вуглецю і. а також вихідний полікристалічний кремній. Оксиди вуглецю з'являються в результаті взаємодії монооксиду кремнію. утворюється в процесі вирощування монокристалів з гарячими графітовими елементами установки, а також в результаті взаємодії кварцового тигля з графітовим держателем тигля. Окислення графітових елементів киснем.

Залишкова концентрація азоту в кристалах кремнію, отриманих за методом Чохральського і бестигельной зонного плавлення, не перевищує. Основними джерелами азоту є атмосфера камери і газові виділення з графіту. Азот є донором для кремнію і його присутність ускладнює отримання високоомного кремнію, крім того він впливає на процеси утворення дислокацій в кремнії. Концентрація швидко дифундують домішок важких металів, таких як залізо, мідь, золото, хром, цинк і т.д. в кристалах кремнію вирощених методом Чохральського і бестигельной зонної плавкою не перевищує. а особливо чистих, отриманих багаторазової зонної плавкою -.

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна