Методы очистки полупроводниковых материалов

Все электрофизические характеристики полупроводниковых материалов чрезвычайно чувствительны к двум параметрам — степени их чистоты и степени совершенства кристаллической решетки. Для обеспечения стабильных характеристик продукции полупроводниковой промышленности необходимо уметь регулировать эти параметры в широких пределах и с большой точностью. Практика производства полупроводниковых материалов показала, что для достижения конечного успеха особые требования к чистоте материалов необходимо предъявлять на всех этапах производства.

Особенностями непосредственного синтеза полупроводниковых материалов является применение таких методов, как термическое разложение летучих галогенидов и гидридов, синтез из газовой фазы путем реакций в потоке аргона или гелия, использование в качестве реагентов металлоорганических соединений. Однако оказывается, что окончательной очистке нужно подвергать и конечный продукт химического синтеза.

Кристаллизационные методы очистки и выращивания монокристаллов. Монокристаллы типичных полупроводников обычно получают методом Яна Чохральского (1885—1953).

Он заключается в том, что монокристалл вытягивается из расплава вращающейся кристаллической затравкой (рис. 9.3). Скорость вытягивания — 1—20 мм/ч. При этом, используя в качестве затравки монокристалл с опре;

Рис. 9.3. Схема аппарата и установка для выращивания монокристаллов по методу Чохральского:

1 — тигель с расплавом; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — холодильник; 5 — механизм вытягивания Источник-. http://www.booksite.rU/fulltext/l/001/009/001/210 242 799.jpg деленной ориентацией кристаллических плоскостей, можно получить монокристаллы с заданной ориентацией кристаллографических осей. Полученные таким способом продукты называются булями. Далее були разрезаются на пластинки, которые и являются заготовками для интегральных микросхем. На пластинках методом фотолитографии и различными физико-химическими процессами (в частности, легированием и окислением для создания слоев изоляторов) создаются объемные структуры — собственно интегральные микросхемы.

Уже появились разработки и «обратного процесса» — не наращивания па изначально чистом кремнии слоев оксида в качестве изолятора, а восстановление изначально чистого кварца до чистого кремния и создание таким образом на кварцевой поверхности слоя полупроводникового кремния.

Японские ученые из университета Киото предложили новую дешевую технологию производства кремния для нужд полупроводниковой индустрии. В новой технологии кремний из кварца восстанавливается всего при 850 °C, а в перспективе температура может быть снижена и до пятисот градусов. Кварцевую пластину с присоединенным к ней металлическим проводником погружают в ванну с расплавом хлорида кальция. При пропускании по проводнику электрического тока (вторым полюсом служит помещенный в ванну графитовый электрод) в точке контакта с кварцем происходит постепенная ионизация атомов кислорода, переходящих в расплав. В результате в месте касания проводника медленно образуется островок относительно чистого кремния. Восстановленный кремний проводит электрический ток дальше, но пластине и помогает тем самым восстанавливать соседние атомы — островок растет как плесень (источник: КомпыотерраОпНпе. http://old.computerra.ru/xterra/homo/27 672).

Чем больше диаметр були, тем больше (в квадратичной пропорциональности) функциональных элементов может быть расположено на пластине. При таком способе выращивания кристалл подвергается дополнительной очистке — примеси остаются в расплаве.

Зонная плавка. Это важнейший способ очистки и получения монокристаллов полупроводников. Идея этого метода сводится к следующему. В твердом кристаллическом образце стержневидной формы создается расплавленная зона, которая перемещается вдоль оси стержня с такой скоростью, чтобы материал кристалла успевал расплавиться и закристаллизоваться за время прохождения зоны нагрева (скорость ее движения — от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час).

Имеющиеся в исходном кристалле примеси переходят в расплав. По мере продвижения зоны нагрева в остывающем конце стержня начинается кристаллизация расплава. И в соответствии с законами физической химии кристаллизоваться начинает чистый растворитель, т. е. основной компонент расплава. Примеси остаются в жидкой фазе до тех пор, пока их концентрация не достигнет насыщения в данной системе. Практически это состояние не достигается, поскольку исходный кристалл обычно уже весьма чистый.

По мере продвижения расплавленной зоны концентрация примесей растет и, таким образом, они перемещаются от одного конца стержня к другому (рис. 9.4). По окончании процесса «загрязнившийся» конец стержня удаляют и получают более чистый по сравнению с исходным материал. Процесс может быть повторен для еще более глубокой очистки до достиже;

Рис. 9.4. Зонная очистка. При перемещении графитовой лодочки расплавленные зоны переносят примеси к концу образца:

• 1 — примеси; 2 — графитовая лодочка; 3 — индукционные нагреватели; 4 — чистый германий;
• 5 — расплавленная зона

Источник', энциклопедия Кольера. http://enc-clic.com/colier/Zonnaja-plavka-3002.htnil.

ния требуемой степени чистоты (иногда — до нескольких десятков атомов примесей в кубическом сантиметре кристалла). Существуют несколько разновидностей метода зонной очистки, отличающихся способами нагрева и движения зоны расплава.