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:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Упрощенная схема производственного процесса производства кремния показана на рисунке 1.

Процесс производства кремния
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.

фото поликристаллического кремния
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:

SiHCl3 + H2 ↔ Si + 3НСl,

Эта химическая реакция протекает при температуре 1000 ... 1100°C. 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 2500 ... 3000 ом×см, 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.

фото монокристалла кремния, выращенного по методу Чохральского
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.

фото 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.

фото пластин кремния
Рисунок 4. 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

Выводы:

  1. Процесс получения химически чистых полупроводников является сложнейшей технической задачей
  2. Производство монокристаллов полупроводников осуществляется вытягиванием из расплава

Дата последнего обновления файла 26.06.2020

Литература:

  1. ГОСТ 22622-77 Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров (с Изменением N 1)
  2. ГОСТ 19658-81 Кремний монокристаллический в слитках. Технические условия (с Изменениями N 1, 2). url:http://docs.cntd.ru/document/1200009238
  3. Случинская И. А. Основы материаловедения и технологии полупроводников. — М: НИЯУ МИФИ, 2002. 376 с.
  4. Ю. К. Ежовский, О. В. Денисова Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов. Учебное пособие для вузов — СПб: СЗТУ, 2005. -80 с.
  5. О.Б. Яценко, И.Г. Чудотворцев, М.К. Шаров Основы физики и химии полупроводников. Часть II Учебное пособие для вузов — Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 2007
  6. Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. — Томск: Изд-во НТЛ, 2008. — 264 с.
  7. М.Д. Вилисова, А.Е. Куницын, Л.Г. Лаврентьева, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин, С.Е. Торопов, В.В. Чалдышев Легирование слоев GaAs кремнием в условиях низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 9 стр.1025-1030
  8. А.Е. Куницын, В.В. Чалдышев, С.П. Вуль, В.В. Преображенский, М.А. Путято, Б.Р. Семягин Влияние легирования индием на формирование комплексов кремний–вакансия галлия в арсениде галлия, выращенном методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низкой температуре Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 10 стр.1187-1191
  9. Полупроводник. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводник
  10. Кремний. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний
  11. Получение чистого кремния. url:http://metal-archive.ru/metallurgiya-chistyh-metallov/2271-poluchenie-chistogo-kremniya.html
  12. Германий. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Германий
  13. Галлия Арсенид — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Галлия%20Арсенид
  14. Арсенид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Арсенид_галлия
  15. Нитрид галлия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. url:https://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрид_галлия
  16. Точечные Дефекты — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия url:https://megabook.ru/article/Точечные%20Дефекты

Вместе со статьей "Получение чистых полупроводников электронного качества" читают:

Основы квантовой теории строения атома
https://digteh.ru/foe/atom/

Полупроводники с собственной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/

Полупроводники с электронной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/n/

Полупроводники с дырочной проводимостью
https://digteh.ru/foe/semicond/p/

Зонная теория проводимости
https://digteh.ru/foe/zon_teor/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика