3. Технологические операции формирования поликристаллического слитка

Монокристаллический Si получают из поликристаллического, исходным сырьем для которого, в свою очередь, является кварц SiO2 (в свободном состоянии кремний в природе не встречается). Технология получения поликристаллического Si включает в себя следующие основные операции.

Восстановление SiO2 углеродом путем нагрева кварцевого песка и кокса до 1500 − 1750° С. В результате получается технический кремний, существенно загрязненный различными примесными атомами:

SiO2 + 2C → Si + 2CO.

Степень загрязнения технического кремния примесями (Fe, Al, B, P и другие) составляет 1−2 %. Использовать такой кремний для получения каких-либо полупроводниковых приборов нельзя, требуется его очистка. Очистка от примесей кремния, находящегося в твердой фазе, является очень сложной задачей. Поэтому данную операцию проводят в два этапа. На первом этапе кремний переводят в какое-нибудь газообразное соединение и производят его очистку. В качестве газообразных соединений кремния используются SiCl4, SiHCl3, SiH4, SiI4 и другие.

Примеры реакций:

Si + 2Cl2 → SiCl4 ,

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 .

Вторым этапом является восстановление кремния из газообразного соединения и получение чистого кремния с содержанием примесных атомов на уровне 10-7 − 10-6 %. Примеры реакций:

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl ,

SiH4 → Si + 2H2 .

Из полученного таким способом поликристаллического кремния можно

вырастить кремний монокристаллический.

4. Кремний Si

Получают восстановлением из оксида SiO₂ по схеме:

SiO₂+С Si+CО₂.

Для очистки полученный порошок кремния превращают в легколетучее и легковосстановимое вещество – трихлорсиллан SiHCl₃ – жидкость, внешне похожая на воду, температура кипения 32˚С. Её испаряют, затем конденсируют, тем самым, производя физическую очистку от примесей. В дальнейшем производят выделение чистого кремния путем восстановления водородом:

SiHCl₃+Н2 Si+3HCl.

Кремний осаждают на нагретом стержне, представляющем собой затравку поликристаллического кремния. По схеме представленной на рисунке 26.

Рисунок 26 – Технологическая схема восстановления кремния.

5. Метод Чохральского

Позволяет выращивать большие (диаметром до 250 мм, длиной до 2м) кристаллы полупроводников путём вытягивания монокристалла из расплава. Полученные монокристаллы обладают достаточно совершенной структурой, но и относительно низким удельным сопротивлением – порядка 2,5 Ом·м. В процессе выращивания монокристалл загрязняется примесью кислорода из кварцевого вкладыша тигля. Технологическая схема процесса отображена на рисунке 27.

Рисунок 27

1. рабочая камера [процесс протекает либо в вакууме, либо в инертной среде]

2. затравка, погружаемая в расплав полупроводника;

3. растущий монокристалл (бульба);

4. расплав кремния Si;

5. графитовый тигель с кварцевым вкладышем, изолирующим кремний от углерода;

6. ВЧ индуктор для нагревания тигля;

7. тепловой экран.

ω₁ = ω₂ = 30 об/мин v = 20 – 40 мкм/сек

Главный недостаток метода – загрязнение в процессе роста монокристалла.