4 Физико-химические основыпроцессов переработки сырьевых материалов
Технологическая схема получения полупроводниковых материалов включает следующие этапы:
– переработка сырьевых материалов (разделение и очистка);
– получение поликристаллических полупроводников (достигается максимальная чистота, минимальная концентрация неконтролируемых примесей);
– получение объемных легированных и чистых монокристаллов (оптимального диаметра, максимальной массы, с однородным распределением свойств и совершенной структурой);
– получение подложек;
– получение эпиструктур.
Схема получения монокристаллического полупроводникового соединения изображена на рис. 2.1.
В качестве исходных веществ берут не компоненты синтезируемого вещества, а соединения этого вещества, которые легко и эффективно очищаются.
Скорость технологического процесса прямо пропорциональна площади поверхности контакта реагентов и избытку их свободной энергии. Поэтому для увеличения интенсивности многих технологических процессов получения полупроводников и диэлектриков из твердых сырьевых веществ уменьшают размер кусков исходных материалов. Эта операция позволяет увеличивать как реакционную поверхность, так и избыток свободной энергии твердых реагентов за счет увеличения свободной поверхности энергии и создания нарушений в кристаллической структуре в процессе получения зерен. Процесс
Рис. 2.1. Схема получения монокристалла полупроводникового соединения: – состояние; → – операция
уменьшения размеров кусков твердых материалов называется дроблением (измельчением); часто под дроблением понимают уменьшение только крупных кусков. Процесс измельчения мелких называется размолом.
2.1. Характеристика чистоты вещества
С теоретических позиций понятия идеально чистого вещества и химического индивида совпадают. Идеально чистое вещество – физически и химически однородный элемент или химическое соединение, состоящее из определенного вида атомов (ионов) или молекул и обладающее только ему одному присущим комплексом постоянных свойств. К числу первых требований, предъявляемых к чистому веществу, относится требование химической (отсутствие посторонних атомов) и физической (отсутствие структурных дефектов) чистоты.
Требования физической чистоты могут быть дополнены требованиями кристаллохимической чистоты, выражающимися в отсутствии в чистом веществе полиморфных фаз, например, примеси углерода в алмазе.
Как химические, так и физические нарушения структуры искажают кристаллическую решетку чистого вещества и сильно изменяют его свойства. Эти дефекты взаимосвязаны и возникновение одного из них в чистом веществе способствует скоплению в дефектной области других. Это происходит вследствие стремления дефектов различной природы к объединению. В результате образуются комплексы, например, типа вакансия – примесь и др. Макродефекты структуры также способствуют концентрации примесей, которые скапливаются на межкристаллитных границах, на поверхности кристалла и т.д.
Получение абсолютно чистого вещества невозможно. Чистота реальных веществ носит относительный характер.
На практике в чистом веществе анализируют ограниченное число примесей, наиболее сильно влияющих на его свойства, например, бор в полупроводниковом кремнии, изменяющий его удельное сопротивление, начиная с концентраций 10–9 % (по массе). Такие примеси получили название лимитируемых.
Чистые вещества, содержание лимитируемых примесей в которых находится на уровне 10–6 – 10–7 % (по массе), а сумма остальных примесей не превышает 10–3 – 10–4 % (по массе), относятся к классу особо чистых веществ (ОСЧ). В него включают химические соединения, металлы, неметаллы, полупроводниковые соединения А3В5, А2В6 и газы.
В маркировку особо чистых веществ, помимо наименования марки ОСЧ, входят две цифры. Первая означает количество лимитируемых примесей, а вторая – показатель отрицательной степени их суммы, выраженной в процентах по массе. Например, ОСЧ-11-4 характеризует марку особо чистого вещества, в котором сумма одиннадцати лимитируемых примесей не превышает 10–4 % (по массе). Для особо чистых веществ, в которых ограничивают содержание примесей только органических веществ, марку ОСЧ дополняют буквами оп (органические примеси) с цифрой (через тире), обозначающей показатель отрицательной степени их суммы. Например, оп-3 ОСЧ характеризует марку особо чистого вещества, в котором суммарное содержание органических примесей не превышает 10–3 % (по массе). Наконец, если в особо чистом веществе ограничивают содержание примесей обеих групп, то маркировка его будет типа оп-3 ОСЧ-11-4, означающего, что данное вещество содержит не более 10–3 % (по массе) органических примесей и сумма одиннадцати лимитируемых неорганических веществ не превышает 10–4 % (по массе).
В веществах марки ВЭЧ (вещества эталонной чистоты), помимо лимитируемых примесей, указывается общее содержание примесей. Перед обозначением ВЭЧ пишется число, соответствующее цифрам после запятой в содержании примесей в процентах, а после два числа через тире, первое ‑ количество лимитируемых примесей, второе – отрицательный показатель степени суммы содержания этих примесей. Например, 003 ВЭЧ 4-5 – содержание основного вещества – 99,997 %, лимитируется содержание четырех примесей, сумма которых 10–5 %.
Кроме такой классификации, для обозначения веществ высокой степени чистоты используют символ N и различают вещества по качеству цифровыми индексами. Цифра, стоящая перед N, означает полное количество «девяток» в числе, выражающем концентрацию основного компонента в процентах (обычно по массе), а цифра, стоящая после N, является последней цифрой в данном числе. Обозначение степени чистоты знаком 5N8 соответствует содержанию основного вещества 99,9998 %; 2N5 – 99,5 %; 3N3 – 99,93 % и т.д. Если при получении особо чистого вещества использовался метод зонной плавки, то к обозначению степени чистоты этого вещества добавляется буква Z, например, символ 6N(Z) соответствует чистоте продукта 99,9999 %.
Более определенным и точным является указание содержания каждой контролируемой примеси. Так говорят о материалах, содержащих 1·10–2, 2·10–5 % (по массе) той или иной примеси, либо указывают число атомов примеси, содержащихся в одном кубическом метре (или сантиметре) материала, например, 1017, 1024 ат/м3.
Помимо высокочистых веществ в производстве используются вещества обычной чистоты следующих марок: Ч (чистое) с содержанием примесей от 2·10–5 до 1,0 %, ЧДА (чистое для анализа) с содержанием примесей от 10–5 до 0,4 %, ХЧ (химически чистое) – от 5·10–6 до 0,5 % по массе.