Получение сверхчистых материалов для микроэлектроники
МИФИ
Факультет «Ф»
Получение сверхчистых материалов для микроэлектроники
Иванов
Эдуард Валериевич
______________
Консультант
Петров
В.И.
1998
Введение.
Требования к
свойствам материалов по мере развития техники непрерывно растут, причём подчас
необходимо получить труднореализуемые
либо даже несовместимые сочетания свойств . Это и порождает многообразие материалов . Возникают новые
классы сложных комбинированных материалов. Материалы
становятся всё более специализированные .
Большинство используемых в настоящее время
материалов создано в результате исследований, основанных на экспериментально найденных закономерностях.
К таким материалам, используемым в
микроэлектронике относится, германий, ещё недавно не находивший применения в технике. Стал одним из важнейших
материалов, обеспечивающих развитие современной техники на одной из важнейших
передовых позиций – техники полупроводниковых диодов и триодов.
Применение германия стало возможным, когда
его удалось практически нацело очистить от примесей. В полупроводниковой
технике, важнейший и пока практически единственно области применения , германий
почти исключителен в виде монокристаллических слитков ультравысокой чистоты,
содержание примесей в таком германии составляет только несколько миллионных
долей процента.
Германий является рассеянным элементом и
получается в основном из отходов других производств. В последнее время одним из
важнейших источников получения германия США и Англии становиться каменный уголь.
Разработан ряд технологических схем получения германия из этого источника.
Техника получения монокристаллов германия
высокой чистоты разработана в настоящее время достаточно надежно и обеспечивает
выпуск монокристаллического германия в промышленном масштабе.
Ничтожное содержание примесей (порядка 10 –
10 %) резко изменяют электрические характеристики германия. Будучи намерено
вводимы в очищенный германий резко изменяют электрические свойства германия в
благоприятном направлении, улучшая его эксплуатационные характеристики.
В связи с этим, наряду с очисткой германия,
возникли важнейшие проблемы легирования германия ничтожно малым количеством
примесей, контроля этих примесей, и изучения их взаимодействия между собой и с
германием, изменением свойств германия в зависимости от состава и т.п.
Важнейшее место в этих исследованиях должно занять изучение процессов диффузии
примесей германия, вопросов изменения свойств германия в зависимости от степени
совершенства монокристалла, от теплового воздействия и т.д.
Получение
полупроводников.
Исторически
так сложилось, что первоотцом микроэлектороники является кремний . В природе
кремний в основном встречается в виде оксида кремния (IV) SiO2 ( песок, кварц ), а также в виде
силикатов. Схема получения силикатов представлена на рисунке 1.
Рисунок 1.
Не
менее неободим в микроэлектронике и германий. Эти два полуприводника почти в
равной степени используются в микроэлектронике.
Общим
методом получения кремния и германия высокой степени чистоты является метод
зонной плавки. Этот метод ( схема метода зонной плавк приведена на рисунке №2)
Рисунок
2.
1
Загрязнённые кристаллы в цилиндрической трубке
2 –
Плавление кристаллов ( нагреватель – раскалённая спираль )
3 – Трубка медленно движется относительно
спирали
4 – Вещество кристаллизуется после
прохождения зоны нагревания
5 – Примеси более растворимы в расплаве и
концентрируются в расплавленной зоне
Так же
очень чистые материалы можно получить методом осаждения ионов данного металлоида
на катоде в расплаве ( но этот метод по своей сути очень похож на зонную плавку
). В основном это расплавы сульфатов германия и оксидов кремния. Кстати впервые
этот метод был использован при получении алюминия в девятнадцатом веке, что
привело к колоссальному падению цен на этот металл, который до этого был ценнее
золота.
В
настоящее время...
В
настоящее, время проблема получения полупроводников высокой чистоты, менее
актуальна чем раньше, т.к. технологии получения уже относительно давно отработаны
и стоят на должном уровне. Ну а сейчас, ученые занимаются изучением оксидных
плёнок и их возможным применением в микроэлектронике и электронике в целом.
Основной проблемой полупроводников является их нагревание во время работы. Отмечено,
что основной причиной, приводящей к деградации монокристаллов Si после нагрева,
являются структурные преобразования, связанные с частичным превращением
алмазоподобного Si в кремний со структурой белого олова. Причиной этих
превращений, наблюдаемых при высоких давлениях, является возникновение
многочисленных очагов концентрации напряжений вследствие анизотропии теплового
расширения различно ориентированных микрообъемов кристалла. В этих очагах
возможно достижение высоких давлений, необходимых для указанного фазового
перехода. Высказано соображение, что предотвращение процесса структурных
превращений, приводящих к деградации электрофизических свойств Si, возможно
путем легирования его переходными либо редкоземельными металлами, повышающими
энергию межатомного взаимодействия и за счет этого уменьшающими коэффициент
термического расширения. Выбор легирующих добавок обоснован расчетами энергии
связи и зарядовой плотности на основе системы неполяризованных ионных радиусов.
Для
получения полупроводников с электронной проводимостью ( n – типа ) с изменяющейся в широких
пределах концентрацией электронов проводимости используют донорные примеси,
образующие «мелкие» энергетические уровни в запрещённой зоне вблизи дна зоны
проводимости. Для получения
полупроводников с дырочной проводимостью ( P – типа ) вводятся
акцепторные примеси, образующие уровни вблизи потолка валентной зоны.
РАСПРОСТРОНЕНИЕ.
Основное распространение полупроводники
получили в компьютерных микросхемах и чипах. Именно эта область
микроэлектроники требует наибольшего количества кремния и германия, причем
очень высокой чистоты. В данной отрасли микроэлектроники наряду с сверхчистыми
кремнием и германием, всё больше и больше применяются сверхпроводящие материалы.
Описанные выше методы, служат базой для современных разработок
в данной области.
Список используемой
литературы:
1. Физическая
энциклопедия – 1990
издательство « Советская
энциклопедия »
2. Германий
1985
Издательство
иностранной литературы, Москва ( сборник
переводов ).
3. Материалы
высокой чистоты – 1978
Издательство
« Наука »
4. Журнал « Физика и техника
полупроводников » -
1997 - 8
5. Проблемы современной
электроники –
1996 – Сергеев А. С.
6. Начала современной химии - 1989-
Рэмсден Э.Н.
издательство « Ленинград «Химия» »
7. Радиолюбитель – 1998-4
8. Современные достижения в микроэлектронике
