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 ”