Получение металлургического и электронного кремния

Исходным сырьем для большинства изделий микроэлектронной промышленности служит электронный кремний. Первым этапом его получения является изготовление сырья, называемого металлургическим кремнием.

Э тот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее электродом. Печь загружается кварцитом SiO₂ и углеродом в виде угля, щепок и кокса. Температура реакции Т=1800°С, энергоемкость W = 13 кВт/час.

Результирующая реакция может быть представлена в виде:

SiC_тв+ SiO_2тв Si_тв+ SiO_2газ+ CO_газ

Металлургический кремний со степенью чистоты 98% измельчают и помещают в гидрометаллургическую установку для получения трихлорсилана. Температура реакции Т=300°C.

Si_тв +3HCl_газ SiHCl_3газ+ H_2газ + Q

Производство электронного кремния проходит в несколько этапов:

1. Сначала в дуговой печи с погружаемым электродом получают металлургический кремний

SiC_тв + SiO₂ Si_тв + SiO_газ + CO_газ

кварцит(SiO₂) + углерод в виде угля, щепок и кокса температура реакции 1800 °С энергоемкость 13 кВт/ч

2. Металлургический кремний измельчают в порошок. Вступая в реакцию с безводным хлористым водородом, кремний переходит в трихлорсилан

SiHCl₃ Si_тв + 3HCl_газ SiHCl_3газ + H_2газ + теплота

температура реакции 300 °C проходит в присутствии катализаторов

3. Электронный кремний получают из очищенного трихлорсилана путем осаждения из парогазовой смеси (ПГС). Трихлорсилан при температуре Т = 32 °С становится жидкостью. Химическая реакция представляет собой реакцию водородного восстановления кремния из трихлорсилана:

2SiHCl_3газ + 3H_2газ 2Si_тв + 6HCl_газ

Зародышем будущего слитка служит резистивно нагреваемый кремниевый стержень. Полный цикл осаждения длится много часов. В результате получается стержень поликристаллического по структуре электронного кремния диаметром до 20 см и длиной несколько метров.

Этот процесс используют также для производства поликристаллических кремниевых труб, применяемых в качестве держателей и подставок, необходимых при осуществлении высокотемпературных обработок.

Структура и дефекты в монокристаллическом кремнии

К ремний обладает алмазоподобной кристаллической решеткой, которая может быть представлена в виде двух взаимопроникающих гранецентрированных решеток. Параметр решетки - 0.54 нм, кратчайшее расстояние между атомами - 0.23 нм. Легирующие атомы замещают атомы кремния, занимая их место в кристаллической решетке. Основными легирующими атомами являются фосфор (5^ти валентный донор замещения) и бор (3-х валентный акцептор замещения). Их концентрация обычно не превышает10^-8 атомных процента.

Реальные кристаллы отличаются от идеальных следующим:

• они не бесконечны и поверхностные атомы обладают свободными связями

• атомы в решетке смещены относительно идеального положения вследствие термических колебаний

• реальные кристаллы содержат дефекты

С точки зрения размерности выделяют следующие типы дефектов реальных кристаллов:

• точечные дефекты

• дислокации или линейные дефекты

• поверхностные или двумерные дефекты

• объемные дефекты