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:
Физическая энциклопедия – 1990
издательство « Советская энциклопедия »
Германий – 1985
Издательство иностранной литературы, Москва ( сборник переводов ).
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 –
1998 – издательство « РФСком »
