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
–
1998 – издательство «
РФСком »
|