Міністерство освіти та науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
КУРСОВА РОБОТА НА ТЕМУ
ВИРОЩУВАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ КРЕМНІЮ
ВИКОНАВ
СТ. ГР. РА – 11
ДЕМКІВ О.Б
ПЕРЕВІРИВ
ВЕСЕЛОВСЬКИЙ З.П
Львів 2010р.
Переваги кремнію
Перeваги кремнію – основного матеріалу напівпровідникової техніки.
Не дивлячись на те, що в напівпровідниковій техніці кремній почали використовувати пізніше, чим германій і деякі інші напівпровідникові з’єднання, в наш час кремнієві вироби по обсягу виробництва лідирують з великим відривом від інших напівпровідників.
Випуск монокристалів кремнію за його шістдесятилітню історію виріс до декількох тис. тонн в рік і продовжує рости, в той час як видобутки германію видобуваються десятками тонн, галію - одиниці тонн в рік.
Це підвищення видoбутку кремнію почалося у 50-их роках, коли виявилось,що його температурна і хімічна стабільність вища за германію. Але найбільше значення цей матеріал отримав після освоєння технології планарних транзисторів і І.С. .Кремній виявився майже ідеальний і поки єдиний матеріал для виготовлення мікропроцесорів, широке пристосування яких відкрило шлях для прогресу техніки обробки інформації.
Феномен кремнію - одна із значних віх нашого століття. Він гідний вивчення не тільки тому, що з цим матеріалом нерозривно зв’язане сьогоднішнє і майбутнє радіоелектроніки, але і тому, що він дає хороший приклад швидкого і масового використання досягнень науки у виробництві. Досвід показав, що якщо об’єктом вивчення є напівпровідниковий кремній, фундаментальні фізичні і прикладні дослідження практично не розрізняються, а розрив між розробкою і введенням у використання зведений до мінімуму на всіх стадіях виготовлення матеріалу до його промислового використання.
Стрімке вторгнення кремнію у різні області науки і техніки, прогрес інтегральних технологій, випереджаючи прогнози, стали можливими завдяки фундаментальним властивостям цього елемента і його положенню в самому центрі таблиці Менделеєва.
Як було сказано вище, тільки елементи 4 групи утворюють ідеально однорідні ковалентні напрямлені зв’язки з низьким координаційним числом, яке рівне 4. Число ж найближчих з’єднань при найщільнішій упаковці 12, тому очевидно, наскільки “рихлою”, “відкритою” структурою володіє кремній. Атоми в кристалі кремнію розташовані вільно, а об’єм міжвузлових пустот настільки великий ( 75% ), що при плавленні відбувається не збільшення об’єму, а навпаки - його зменшення (на 9%). Таку ж “рихлу” структуру має вуглець у формі алмаза, і германій. Але тільки у кремнію відстань між двома сусідніми атомами є 0,26 нано метрів що спричиняє оптимальну енергію зв’язку. В алмазі ця відстань є набагато менша від порядку 0.11 нанометрів, і він проявляє яскраво виражені діелектричні властивості, тоді, як германій за своїми властивостями ближчий до металів. Рихла, відкрита структура і достатньо сильний ковалентний зв'язок – особливості з’єднань кремнію, які пояснюють його багаті фізико - хімічні властивості, перераховані нижче.
1. оптимальне значення ширини заборонених зон, яка зумовила досить низьку концентрацію власних носіїв заряду і високу робочу температуру.
2. великий діапазон реально досягнутих максимальних опорів
3. високе значення модуля міцності.
4. мала щільність (2,3 г/см куб ).
5. оптимально висока температура плавлення.
6. висока теплопровідність.
7. тензочутливість – значна зміна максимального опору при максимальній деформації.
8. висока розчинність домішок, причому вони несильно викривляють кристалічну гратку кристалу.
Наслідком особливостей фізико-хімічних властивостей кремнію є його висока технологічність – стабільність і здатність до обробки різними методами, яка полягає в:
1. пасующі, масковані і захисні властивості власного оксиду.
Пасивні властивості проявляються в різкому зниженні швидкості окислення після утворення щільної тонкої плівки власного оксиду ( SiO2
Захисні властивості SO2 проявляються в тому, що для більшості домішок (за виключенням йонів натрію ) плівка служить непробивним бар’єром. Кремній, покритий оксидною плівкою, надійно захищений від впливу агресивних газів.
Маскувальна здатність – наслідок невеликої швидкості дифузії домішок в SiO2, в 100…1000 разів менша, ніж у кремнію. Тому плівка SiO2 з вікнами в ній, відповідаючи топології схеми, служить маскою при виготовленні в ній кремнію планарних pn-переходів шляхом дифузії електричноактивних домішок із газової фази при температурі 1500 К.
2. Наявність зручних для очищення і послідовного відновлення (в тому числі і епітаксії) вихідних з’єднань SiCl4, SiHCl3, SiH4. Перші два – тетра хлорид і трихлорсилан являють собою легкокиплячі рідини, неагресивні по відношенні щодо нержавіючої сталі. Це дозволяє глибоко чистити їх найбільш простим методом – ректифікацією.
SiH4 – моносилан, неміцний гідрид кремнію, який при кімнатні температурі є газом. З’єднуються з гідрогеном небагато хімічних елементів, тому вже при синтезі моносилану проходить глибоке очищення, яке доповнюється низькотемпературною ректифікацією. Тому монокристальний кремній, завдяки виключній чистоті по електричних властивостях, найближчий до власного.
3. Кремній робить з’єднання з цінними властивостями, що використовуються у напівпровідникових виробах та мікросхемах.
Широкого використання діоксид кремнію SiO2 у вигляді плавленого кварцу – нагрівостійкого і високою чистотою матеріалу. Із кварцу виробляють тиглі для плавки кремнію, труби для термообробки кремнію, різні контейнери, хімічний посуд.
Нітрид кремнію SiN4 – одне із найстійкіших хімічних зєднань. Його покриття на кремнію захищає його від навколишнього середовища, і від високих температур до 1473 К.
Карбід кремнію SiC –виникає при з’єднанні з карбоном при високій температурі. Це також термостійке з’єднання, яке використовується переважно для покриття графітових деталей, які знаходяться в робочій камері, де обробляється кремній. Завдяки такому покриттю виключається можливість забруднення карбоном, підвищується час роботи графітових деталей при високих температурах.
4. Кремній, маючи оксиген, нерівномірно розповсюджений по об’єму, володіє гетерориючими властивостями по відношені щодо деяких введених домішок. Вони проявляються в тому, що домішки Au, Cu, Ni диффундують в область з підвищеною концентрацією оксигену. В цьому випадку ми бачимо рідкісний випадок дифузії в сторону збільшення концентрації домішки, причому в рухливому шарі йде зниження внутрішньої енергії через зв’язування з домішкою оксигену . Реалізація гетерирування практично не потребує проведення додаткових операцій, бо в результаті термообробок концентрація оксисену в поверхневих шарах зменшується за рахунок його реакції з воднем і видаленням в атмосферу. При спеціальній обробці домішки дифундують у внутрішні області і таким чином виводяться з робочої зони, зайнятої транзисторами І.С.
Епітаксія і гетероепітаксія – явища, які вперше мали широке практичне значення саме в технології кремнію.
ЕПІТАКСІЯ – вирощування монокристалу при температурі меншій за температуру плавлення. Нарощуваний шар переважно дуже тонкий – не більше 5…10 мкм. Але його цілком вистачає для формування саме в цьому об’ємі всієї інтегральної схеми. Епітаксійне нарощування дозволило виготовити структури із захованим шаром і забезпечити ізоляцію елементів за методом “ ізопланар ”, що лягло в основу масового виробництва біполярних І.С.
Кремній - єдиний матеріал, який вдається нарощувати епітаксіально також і на нерідні підкладки ( гетероепитаксія ). Структури кремній на сапфірі мають значні переваги як основа І.С. на комплементарних транзисторах, найменш енергомістких, найшвидкісніших і радіаційно стійких серед І.С.
6. Завдяки відкритій, рихлості структури, і наявності тетраїдних пустот кремній піддається до зміни степеня кристалізації від вищої в монокристалах і мінімальної в аморфному стані. Великий досвід експлуатації і отримання кремнію у вигляді унікальних монокристалів не позбавив інтересу до полікристалів, і аморфних станів, які мають свої специфічні властивості.
Аморфний кремній вдається дістати лише у вигляді тонких плівок при дуже повільному розплаві монокристалу в тліючому високочастотному розряді.
Однак специфічні властивості його: велика ширина заборонених зон – до 2 еВ і високий опір – до 1012 Ом*см – забезпечують кремній хорошими перспективами на майбутнє, особливо для розвитку багаторівневих і об’ємних мікросхем а також сонячних батерей. Маленьке, але дуже важливе застосування при виготовленні елементів І.С. має і полікристалічний кремній, який легко отримати осадженням із газової фази на будь-яку нагріту поверхню ( не монокристалічну ). Будучи сильно легованим, полікристалічний кремній може вдаліше, ніж метали виконувати функції контактів-затворів транзисторів у І.С., і часто внутрішніх комунікацій мікросхеми.
7. Кремній – міцний і жорсткий матеріал, в монокристалічному стані придатний для виготовлення чутливих датчиків у вигляді консолей, мембран дуже малої товщини – 1…3 мкм.
8. Сировина для отримання кремнію є всюди, в земній корі його близько 26%.
Кремній нетоксичний в більшості своїх хімічних з’єднань, його виробництво не зумовлює забруднення навколишнього середовища.
Такі властивості, як висока чистота і досконалість структури, технологічність є перспективні в розвитку і швидкій реалізації наукових досягнень. Вони призвели до детального дослідження цього елемента. Технологія кремнію стала об’єктом промислового застосування багатьох нових методів обробки , яким присвячено більшість публікацій. Цими методами є: епітаксія, йонна імплантація домішок, лазерний відпал, рекристалізація, плазмохімічне травлення, внутрішнє гетерирування домішок, ядерна транс мутація, радіаційна модифікація властивостей, термоміграція, термоз’єднання, амонізація і гідрування.