Получение и очистка кремния

Кремний- элемент 4-й группы, имеет кубическую кристаллическую решетку с ковалентными связями. Устойчив при нагреве на воздухе до 900⁰ С, затем активно окисляется.

Достоинства кремния:

1. оптимальная температура плавления 1420⁰ С. При более низкой температуре не возможно было бы проводить диффузию, протекающую при 1220⁰ С, а при более высокой создало бы проблемы для материалов петлей и реакторов.

2.достаточная ширина запрещенной зоны обеспечивает хороший температурный диапазон -60-+130⁰ С

3. возможность получения на поверхности Si собственного окисла SiO₂, обладающего хорошими защитными свойствами.

4. доступность сырья: содержание кремния в земной коре составляет около 28%.

Параметры кремния:

∆Е_зз=1,12 эВ

ρ_v=2*10³ [Ом*м]

μ_n=0.14 [м²/В*сек]

μ_p= 0,05 [м²/В*сек]

λ=0,8 Вт/м*град

Ограничения:

1. не обладает излучательной способностью (не пригоден для ОКГ и светодиодов)

2. невысокая подвижность носителей, что препятствует созданию на нем сверхвысокочастотных приборов.

3. высокая химическая активность в расплавленном состоянии

4. наличие трудноудаляемых примесей (бор), температура плавления которого значительно выше (2300⁰ С)

5. невысокая радиационная стойкость.

Получение поликристаллического чистого кремния:

1

SiCl₄+2H₂↔Si +4HCl

SiHCl₃ + H₂↔ Si+3HCl

. водородным восстановлением из хлорсиланов (тетрахлорида кремния SiCl₄ или трихлорсилана)

2. термическим разложением (получение поликристаллических пленок) моносилана Si H₄ SiH₄→Si+2H₂

Очистка:

• допустимое содержание примесей 10^-11%

• для Si метод зонной плавки не нашел применения из-за активности кремния (активно реагирует с углеродом)

• температура плавления кремния близка к температуре плавления кварцевого стекла.

Получение монокристалла:

1. метод Чохральского (диаметр слитков до 100,150мм)

2. метод бестигельной зонной плавки, диаметр до 60 мм.

Наибольшее распространение для получения монокристаллов полупроводниковых материалов получил метод Чохральского.

Сущность метода: на монокристаллическую затравку нарастает кристалл в точности повторяющий кристаллографическую ориентацию в самой затравке.

Основные стадии процесса:

1. плавление поликристаллической загрузки

2. оплавление монокристаллической затравки и кристаллизация на ней первых порций расплава

3. подъем затравки и вытягивание щетки

4. разращивание монокристалла до номинального диаметра

5. рост монокристалла постоянного диаметра

6. оттяжка на конус, обрыв кристалла

7. охлаждение выращенного монокристалла

Процесс очистки бестигельной зонной плавкой нашел применение только для получения монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода и большим значением временной жизни неосновных носителей заряда (> 1000 мкс)

Бестигельная зонная плавка.

Метод Чохральского применяют, в основном, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением (ρ<2,5 Ом*м).

Бестигельная зонная плавка используется для получения высокоомных монокристаллов кремния (ρ- до 200 Ом*м) с малым содержанием остаточных примесей, особенно кислорода и с большим временем жизни неосновных носителей заряда. При методе Чохральского время жизни 10/50 мкс, при бестигельной зонной плавке – до 3000 мкс. Метод бестигельной зонной плавки так же основан на сегрегации примесей в жидкой и твердой фазе, т.е. разной растворимости в жидкой и твердой фазе.

При этом методе узкая зона расплава удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения.

Использование метода возможно при малой плотности и большом коэффициенте поверхностного натяжения в жидком материале.

Эти условия имеют место в жидком Si.

Для получения монокристаллов в Ge этот метод нельзя использовать из-за большой плотности и малого поверхностного натяжения. Диаметр получаемого слитка <15 мм.

Можно выращивать этим методом однородные монокристаллы диаметром до 60-76 мм, а при использовании индуктора, диаметр которого меньше диаметра проплавляемого стержня- до 100 мм.

Процесс плавки можно проводить в вакууме и в атмосфере инертных газов. Плавка в водороде используется тогда, когда проводится одновременное легирование из газовой фазы. В этом случае водород служит газом-носителем.

Этапы процесса бестигельной зонной плавки:

1. разогрев торца кремниевого стержня

2. образование висячей капли расплава кремния

3. оплавление затравки

4. выращивание щетки (начальная стадия роста монокристалла)

5. проведение процесса в установившемся режиме

К недостаткам метода следует отнести:

1. сложная дорогостоящая аппаратура.

2. меньшая производительность, чем при методе Чохральского.

3. более высокая стоимость.

Толщина пластин кремния составляет 400 мкм при диаметре до 76 мм. В США 625 мм при диаметре 100-150 мм.