Получение чистых полупроводников электронного качества
Производство полупроводниковых материалов является сложнейшей технической задачей. Проблема заключается в требовании очень высокой степени очистки для того, чтобы полупроводниковый материал стал проявлять свои уникальные свойства. Например, золото 999 пробы (99,9%) считается очень чистым материалом, но для полупроводников такой степени очистки недостаточно. В качестве примера рассмотрим получение химически чистого кремния.
Производство кремния во многом напоминает выплавку железа из руды. При этом рудой кремния является кварцевый песок, точно такой же, что используется для производства стекла, ведь кварц — это оксид кремния SiO2. При производстве кремния используется кокс и в печи протекает следующая химическая реакция:
Упрощенная схема производственного процесса производства кремния показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Процесс производства кремния
Чистота полученного кремния может достигать 99,9%, что вполне достаточно для использования кремния в качестве легирующей добавки при производстве сталей и сплавов с алюминием (силумин, альсифер). Но этой степени чистоты мало для изготовления солнечных батарей и электронных приборов. Внешний вид полученного таким образом поликристаллического кремния показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Внешний вид образца поликристаллического кремния
Дальнейшая очистка кремния производится различными способами. Они совершенствуются до сих пор. Один из этих способов — восстановление трихлорсилана водородом. При этом процессе сначала получают газ трихлорсилан. Затем восстанавливают кремний водородом при помощи следующей химической реакции:
Эта химическая реакция протекает при температуре . Кремний в этом технологическом процессе, как и при восстановлении тетрахлорида кремния, осаждается на нагретых танталовой или молибденовой проволоке или на кремниевых стержнях. Этим способом, особенно при осаждении на кремнии, получается очень чистый поликристаллический кремний с удельным электрическим сопротивлением около более чистый, чем при водородном восстановлении тетрахлорида кремния.
Таким методом получается кремний электронного качества — наиболее качественный кремний с содержанием кремния свыше 99,9999 % по весу, при производстве кремния «солнечного» качества могут быть использованы более дешевые технологии.
Для производства электронных приборов очень важно, чтобы атомы кремния были соединены в кристалл. Только при этом атомы будут упорядочены в пространстве. Поэтому из кремния, полученного одним из методов химической очистки, выращиваются кристаллы.
Самым распространённым методом выращивания кристаллов является метод Чохральского. При этом методе в расплав кремния окунается маленький кристалл, полученный в предыдущих циклах выращивания, или отобранный из массива кристаллов, полученных в процессе очистки кремния. Затем он, медленно вращаясь, поднимается вверх. В процессе охлаждения на кристалле нарастают новые слои атомов, тем самым кристалл растет. Фотография кристалла кремния, полученного таким методом, показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Внешний вид монокристалла кремния, выращенного по методу Чохральского
Описанным образом удается получить монокристаллы кремния в виде цилиндров диаметром до 300 мм. Такой монокристалл весит больше 200 кг, и длиной больше роста человека. Затем полученные кристаллы распиливаются на диски алмазными пилами. Эти диски получили название «чип» — тонкий срез. Отсюда одно из названий микросхем — чипы. Следует отметить, что растворимость примесей в расплаве намного больше растворимости в кристалле. Поэтому при таком методе выращивания кристаллов производится дополнительная очистка полупроводникового материала.
Методом, подобным описанному выше, получаются монокристаллы арсенид-галлия электронной степени очистки. На следующей фотографии приведено изображение монокристалла арсенид-галлия, выращенного по методу Чохральского.
Рисунок 4. Внешний вид монокристалла арсенид-галлия, выращенного по методу Чохральского
Разрезанные пластины полупроводника (чипы) шлифуют, наращивают дополнительный тонкий слой сверхчистого кремния и формируют на нем процессом фотолитографии микросхемы. Внешний вид пластин кремния разного диаметра с нанесенными на них микросхемами приведен на рисунке 5.
Рисунок 5. Внешний вид пластин кремния различного диаметра
Процесс получения кремниевый пластин с нанесенными на них микросхемами микропроцессоров очень хорошо показан в следующем видео:
Видео 1. Процесс получения кремниевый пластин с нанесенными на них микросхемами микропроцессоров
Несколько иначе выглядят другие полупроводники. Например, на рисунке 6 приведена фотография пластины, вырезанной из монокристалла нитрида-галлия GaN.
Рисунок 6. Внешний вид пластины выполненной из нитрид-галлия GaN
Обратите внимание, что эти кристаллы прозрачны.
- Процесс получения химически чистых полупроводников является сложнейшей технической задачей
- Производство монокристаллов полупроводников осуществляется вытягиванием из расплава
Дата последнего обновления файла 26.06.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Получение чистых полупроводников электронного качества» читают:
Источник
Способы получения монокристаллов полупроводников
Наиболее распространенный способ получения монокристаллов полупроводниковых материалов — вытягивание из расплава по методу Чохральского (Выращивание монокристаллов). Этим методом получают монокристаллы Ge, Si, соединения типа A III B V , A II B VI , A IV B VI и т. д. Вытягивание монокристаллов неразлагающихся полупроводниковых материалов проводят в атмосфере Н2, инертных газов или в условиях глубокоговакуума. При выращивании монокристаллов разлагающихся соединений (InAs, GaAs, InP, GaP, CdTe, PbTe и др.) расплав герметизируют слоем жидкого флюса (В2О3) и вытягивают монокристаллы, погружая затравку в расплав через флюс и поддерживая в рабочем объёме над расплавом определённое давление инертного газа. Часто процесс вытягивания осуществляют в камерах высокого давления, совмещая процесс выращивания монокристаллов с предварительным синтезом соединений под слоем флюса (GaAs, InP, GaP и др.).
Для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов также широко используют методы направленной и зонной кристаллизации расплава в контейнере. В случае разлагающихся соединений для получения монокристаллов требуемого стехиометрического состава процесс проводят в запаянных кварцевых ампулах, поддерживая равновесное давление паров летучего компонента над расплавом; часто для этого требуются камеры высокого давления, в которых поддерживается противодавление инертного газа. При получении монокристаллов необходимой кристаллографической ориентации используют ориентированные соответствующим образом монокристаллические затравки.
Для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов, обладающих подходящим сочетанием плотности и поверхностного натяжения расплава, используют метод бестигельной зонной плавки. Наибольшее распространение этот метод получил в технологии получения монокристаллов Si, имеющего сравнительно невысокую плотность и достаточно большое поверхностное натяжение расплава. Отсутствие контакта расплава со стенками контейнера позволяет получать этим методом наиболее чистые монокристаллы. Обычно процесс выращивания монокристалла совмещают с предварительной дополнительной очисткой полупроводниковых материалов зонной плавкой.
Для получения монокристаллов ряда тугоплавких разлагающихся полупроводниковых соединений (например, CdS, ZnS, SiC, AlN и др.) используют кристаллизацию из газовой фазы (методы сублимации и химических транспортных реакций). В случае если при выращивании монокристаллов не удается получить соединение требуемого стехиометрического состава, кристаллы разрезают на пластины, которые подвергают дополнительному отжигу в парах недостающего компонента. Наиболее часто этот прием используют в технологии получения монокристаллов узкозонных соединений типа A II B VI и A IV B VI , где собственные точечные дефектысильно влияют на концентрацию и подвижность носителей тока, то есть проявляют высокую электрическую активность (PbTe, PbxSn1-xTe, CdxHg1-xTe и др.). При этом удается снизить концентрацию носителей заряда в кристаллах на несколько порядков. Для выращивания профилированных монокристаллов полупроводниковые материалы (ленты, прутки, трубы и т. д.) используют метод Степанова.
Широко распространено получение полупроводниковых материалов в виде монокристаллических пленок на разного рода монокристаллических подложках. Такие пленки называют эпитаксиальными, а процессы их получения — эпитаксиальным наращиванием. Если эпитаксиальная пленка наращивается на подложку того же вещества, то получаемые структуры называют гомоэпитаксиальными; при наращивании на подложку из другого материала — гетероэпитаксиальными. Возможности получения тонких и сверхтонких однослойных и многослойных структур разнообразной геометрии с широкой вариацией состава и электрофизических свойств по толщине и поверхности наращиваемого слоя, с резкими границами р-n-переходов и гетеропереходов обусловливают широкое использование методов эпитаксиального наращивания в микроэлектронике и интегральной оптике, в практике создания больших и быстродействующих интегральных схем, а также оптоэлектронных приборов (см. Планарная технология).
Для получения эпитаксиальных структур полупроводниковых материалов используют методы жидкостной, газофазной и молекулярно-пучковой эпитаксии. Методом жидкостной эпитаксии получают гомо- и гетероэпитаксиальные структуры на основе соединений типа A III B V , A II B VI , A IV B VI и их твёрдых расплавов. В качестве растворителя обычно используют расплав нелетучего компонента соответствующего соединения. Наращивание эпитаксиального слоя проводят либо в режиме программируемого снижения температуры, либо из предварительно переохлажденного расплава. Этим методом можно воспроизводимо получать многослойные структуры с толщинами отдельных слоев до
0,1 мкм при толщинах переходных слоев на гетерограницах порядка десятков нм.
Источник
Электронная библиотека
При изготовлении большинства полупроводниковых приборов применяют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокристаллах выше, чем в поликристаллическом материале, который к тому же обладает и значительной неоднородностью свойств.
Процент выхода годных полупроводниковых приборов, их характеристики зависят от степени очистки, однородности исходного материала, степени его легирования и др. Наиболее жесткие требования к полупроводниковым материалам предъявляют при производстве транзисторов и интегральных схем. В таких приборах, как фото- и терморезисторы, допускается использование поликристаллических аморфных веществ.
Основными методами получения монокристаллов полупроводников являются: выращивание из расплава, метод зонной перекристаллизации и выращивание из газообразной фазы. В ряде случаев применяют метод выращивания из раствора и другие методы.
Метод выращивания монокристаллов из расплава (метод Чохральского), как правило, обеспечивает высокие скорости выращивания и получение больших по размеру кристаллов. Сущность метода заключается в том, что в тигель с расплавленным материалом 9 опускают монокристаллическую затравку 7 (рис.3.27). После оплавления затравки, которое обеспечивает хорошее ее смачивание расплавом, затравку медленно поднимают. Жидкость, тянущаяся за затравкой, попадая в область более низких температур, затвердевает, продолжая кристаллическую структуру затравки.
При вытягивании кристалла затравку или тигель вращают, чтобы не происходил преимущественный рост кристалла в какую-либо сторону из-за возможной боковой разности температур. Кроме того, вращение кристалла относительно тигля производит размешивание расплава в тигле.
При выращивании из расплава монокристаллов полупроводниковых соединений пользуются методом Бриджмена-Стокбаргера. Нагреватель в этой установке устроен таким образом, что по его длине создается определенный градиент температуры (рис. 3.28).
При выращивании кристаллов разлагающихся соединений тигель с веществом помещают в запаянную ампулу, в которой поддерживается необходимое давление паров летучего компонента. В положении 1 содержимое тигля расплавлено. По мере дви
жения тигля вдоль печи в область более низких температур происходит постепенное охлаждение расплава и направленная его кристаллизация.
Метод зонной перекристаллизации (плавки) для получения монокристаллов состоит в том, что плавление поликристаллического слитка, помещенного в тигель, осуществляется с помощью нагревателя, создающего короткую зону, температура которой выше, чем температура плавления вещества.
Схема установки приведена на рис. 3.29. Если на одном конце слитка поместить монокристалическую затравку и перемещать нагреватель от этого конца к другому, то остальная часть слитка, последовательно расплавляясь в зоне и затем кристаллизуясь, будет продолжать структуру затравки.
Метод зонной плавки широко применяют прежде всего как один из эффективных методов очистки полупроводниковых материалов от примесей. Очистка полупроводников этим методом основана на том, что примеси неодинаково растворимы в твердой и жидкой фазе основного вещества. Наиболее распространен случай, когда растворимость примеси в жидкой фазе больше, чем в твердой. Тогда расплавленная зона при движении будет захватывать примесь и переносить ее в конец слитка. Этот процесс движения зоны (в том же направлении) можно повторять несколько раз, сгоняя примесь в конец слитка. Подобный результат может быть достигнут, если создать сразу несколько зон. Каждая из них на своем пути захватит определенное количество примеси и перенесет ее в конец слитка, который затем обрезается.
Обычно в качестве материала тигля используют плавленый кварц, графит, тугоплавкие оксиды алюминия или магния. Однако для таких реакционноспособных полупроводников, как кремний, зонная перекристаллизация оказалась эффективной лишь при бестигельной зонной плавке, которая в настоящее время осуществляется несколькими способами. Наиболее распространенным является метод плавающей зоны, который состоит в том, что расплавленная зона удерживается силами собственного поверхностного натяжения между двумя вертикальными твердыми заготовками, расположенными строго по одной линии (возможна поддержка индуцированным током и др.).
Из газообразной фазы выращивают главным образом монокристаллы полупроводниковых соединений. Существует несколько таких способов.
Для выращивания монокристаллов бинарных полупроводниковых соединений из газовой фазы используется метод взаимодействия исходных компонентов (рис. 3.30). Выращивание монокристалла производится в потоке нейтрального газа или водорода. При этом применяют трехсекционную печь, причем две крайние секции используют для испарения компонентов. Средняя печь предназначена для поддержания необходимой температуры в реакторе, где происходит смешивание паров компонентов и их реакция. Температура в реакторе ниже, чем температура плавления образующегося соединения. Это вызывает конденса
цию соединения на стенках реактора в виде кристаллов.
Другим распространенным способом выращивания из газовой фазы является метод сублимации (рис. 3.31). В тигель помещают исходный материал, который затем испаряется. Пары вещества переносятся в зону роста кристаллов (зона 3) транспортирующим газом.
Качество и состав кристаллов, выращенных из газообразной фазы указанными методами, зависят от выбора температурных режимов испарителей и реактора.
Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
Источник
