Английское название silicon происходит от латинского silex, что значит “кремень”. Кремний, занимающий на Земле второе место после кислорода по относительному содержанию, составляет 25,7% земной коры по весу.
Кремний, применяемый в микроэлектронике, используется в виде больших высококачественных монокристаллов. Что подразумевается под словом “высококачественный”? На современном этапе развития микроэлектроники допускается наличие не более 10 12 атомов примесей в одном см 3 . Их число должно быть уменьшено до 10 10 см -3 . Так как в кремнии содержится около 5х10 22 атомов/см 3 , то это значит, что допускается наличие только одного случайно попавшего атома примесей на несколько десятков миллиардов атомов кремния. Такая высокая чистота лежит далеко за пределами того, что требуется в исходных материалах, используемых практически в любой другой области промышленности.
Кремний высокой чистоты получается из двух обычных материалов:
· Двуокиси кремния (песок)
КАК ВЫРАСТИТЬ КРУТЫЕ КРИСТАЛЛЫ ДОМА
В высокотемпературной электрической дуговой печи (при Т~2000 0 С) углерод восстанавливает двуокись кремния до элементарного кремния, конденсирующегося в виде кремния металлургической чистоты (содержит до 10% примеси).
1. Получение металлургического кремния.
( — 13(кВт/ч)/кг (реакция идёт при 1500-1700 О С))
Чистота Si-порошка 95-98%
Такой кремний ещё недостаточно очищен для того, чтобы его можно было использовать в полупроводниковой электронике. Кремний металлургической чистоты очищается путём перевода его в трихлорсилан (SiHCl3), который может быть подвергнут дальнейшей очистке:
2. Получение трихлорсилана
+ хлориды примесей + тепло
SiHCl3 при комнатной темп.- жидкость. После этого проводят фракционную дистилляцию трихлорсилана, что позволяет отделить его от любых других хлоридных соединений.
Очищенный трихлорсилан затем восстанавливается водородом, в результате чего получается твёрдый кремний высокой чистоты:
3. Осаждение из парогазовой смеси поликрист. кремния.
Содержание примесей в нём составляет 10 -6 – 10 -7 ат%. На этом этапе кремний является поликристаллическим. Он состоит из микрокристаллов, ориентированных случайным образом. Поли-Si осаждают на стержень из Si высокой чистоты, чтобы избежать загрязнений. И только после этого переходят к получению больших (диаметр >100-350мм) слитков идеального монокристалла. Для получения монокристаллов столь высокого качества используются в настоящее время главным образом:
· метод зонной плавки.
· метод Степанова (вытягивание из расплава через фильтру).
Метод Чохральского
Выращивание кристаллов по методу Чохральского заключается в затвердевании (присоединении атомов в узлы кристаллической решётки) атомов жидкой фазы на границе раздела жидкость/кристалл при постепенном вытягивании кристалла из расплава.
Подробный метод выращивания кристаллов в домашних условиях!
Методом Чохральского получают ~80% кремния от общего объёма производимого кремния для нужд электроники. Суть метода заключается в следующем.
Куски поли-Si расплавляют в тигле из плавленого кварца в атмосфере аргона. Расплав поддерживается при температуре незначительно превосходящую точку плавления кремния 1415 С. Затравочный монокристалл высокого качества с требуемой кристаллической ориентацией опускается в расплав и одновременно вращается. При этом тигель вращается в противоположном направлении, чтобы вызвать перемешивание расплавов тигля и свести к минимуму неоднородности распределения температуры.
Часть затравочного кристалла растворятся в расплавленном кремнии, чтобы устранить механически напряжённые наружные участки и обнажить нарушенную поверхность монокристалла. Затем затравочный кристалл медленно вытягивают из расплава. По мере поднятия кристалл охлаждается и материал из расплава “пристаёт” к ней, образуя при этом монокристалл.
Схематично это можно представить таким образом. Кремний продолжают кристаллическую структуру уже затвердевшего материала. Требуемый диаметр кристалла получается путём регулировки скорости вытягивания и температуры. С ростом переохлаждения увеличивается скорость затвердевания расплава (скорость присоединения атомов к твердому кристаллу). Но растёт вязкость жидкости (расплава) и уменьшается подвижность атомов => дефектность кристалла.
4—тигель (химически инертный, высокая Тпл, прочный, недорогой, (Si3N4,SiO2));
| Жидкость (расплав) |
| Ось роста |
Рис. 1.27. Установка и схема кристаллического роста в методе Чохральского с соответствующим температурным профилем.
Макроскопическое условие теплопереноса на границе раздела:
, где А1,А2-площади изотерм.
Максимальную скорость вытягивания кристалла без дефектов получим, если предположим отсутствие градиента т.в. расплава (отсутствие переохлаждения) , т.е.
. Тогда : 
, где ks – коэф. теплопроводности примеси в расплаве; L – удельная теплота плавления; ρ – плотность Si в твердом состоянии. Скорость выращивания должна быть, с одной стороны, максимальна, чтобы в конечном итоге уменьшить стоимость материала. С другой стороны, увеличение скорости вытягивания сопровождается ростом градиента температур в кристалле, что сказывается на качестве кристалла.
Почему нельзя вырастить кремний прямо в тигле??
1) Расплав кремния, отвердевая, расширяется, его объём увеличивается на 10%. Вследствие этого может произойти разрушение тигля. И даже в том случае, когда тигель выдерживает расширение застывающего кремния, напряжение, возникающее при этом, всё равно вызывают появление дислокаций.
2) Кристаллизация на стенках.
Методом Чохральского выращивают цилиндрические монокристаллические слитки кремния диаметром от нескольких мм до 400 мм. Во многих случаях в монокристалле необходимо иметь определённое количество примеси. Эта примесь вводится добавлением в расплав небольшого, тщательно контролируемого количества желаемого элемента.
 Рис. 1.28. Схема участка фазовой диаграммы, . |
Концентрация примесей в выращиваемом монокристалле и в расплаве могут различаться. Отношение равновесной концентрации (CS) примесей в твёрдом растворе к концентрации примеси в жидком состоянии (CL) называется коэффициентом распределения (сегрегации): kS=CS/CL. Если kSkS>1, то происходит обеднение. Следствием того, что kS как правило, отличен от 1, является неоднородное распределение примесей по кристаллу. Так , например, пусть k |
| По мере затвердевания кремния примесь будет оттесняться от кристалла в расплав. В результате чего концентрация легирующей примеси в расплаве увеличивается. Поэтому в итоге затравочный конец кристалла будет легирован слабее, чем его нижний конец. |
Следствие: очистка кристалла
CL – концентрация примеси в расплаве, СS — конц.примеси в закристаллизованном Si,СS = kSCL; где kS – коэф. сегрегации,
Из рассмотренного выше следует, что не вся примесь, содержащаяся в расплаве, будет захватываться растущим кристаллом. Следовательно, кристалл будет более чистым по сравнению с расплавом. В этом состоит суть очистки кристаллов при их выращивании из расплава.
По мере выращивания кристалла (вытягивания слитка из расплава), в расплаве увеличивается концентрация примеси (относительно массы основного материала (Si)). В связи с этим:
а) на фазовой диаграмме происходит сдвиг в сторону больших концентраций и, соответственно,
кристаллизация происходит при более низкой температуре.
б) в вытягиваемом кристалле увеличивается концентрация захваченной примеси. Т.е. на заключительных этапах вытягивания кристалла его качества ухудшаются!
3)качество кристалла (однородность примесей и дефектов) сильно зависит от стабильности (однородности) температуры на границе раздела кристалл-жидкость (как вдоль границы раздела так и в перпендикулярном направлении).
Источник: megaobuchalka.ru
Способ выращивания кристаллов кремния
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для выращивания кристаллов кремния из кварцевых тиглей по методу Чохральского. Способ включает плавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи 2 с последующим охлаждением и удалением остатков расплава кремния из тигля 1 путем создания перепада давления между камерой печи 2 и камерой 5 резервуара-хранилища 4 с одновременным перекачиванием остатков расплава кремния по трубке 3, один конец которой помещают в остаток расплава в тигле 1, а другой конец — в водоохлаждаемый резервуар-хранилище 4, при этом остаток расплава кремния, оставленный в кварцевом тигле, не должен превышать 10 мм. Технический результат изобретения заключается в сокращении затрат за счет исключения разрушения кварцевых тиглей и увеличения кратности их использования, а также возможности вторичного использования остатков кремния при последующем периодическом процессе выращивания кристаллов. 1 ил.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для выращивания кристаллов кремния из кварцевых тиглей по методу Чохральского.
Известен способ выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского, включающий плавление и выращивание кристаллов, затвердевание остатков кремния в тигле при охлаждении (Сахаров Б.А и др. Металлургия и технология полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1972. — 544 с.).
Однако известный способ не позволяет использовать кварцевый тигель после охлаждения дважды, что ведет к удорожанию процесса выращивания кристаллов кремния.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ выращивания кристаллов, в том числе кремния, включающий плавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи с последующим охлаждением и удалением остатков расплава кремния из тигля (JP 45014892 В, 26.05.1970).
Однако использование данного способа не позволяет предотвратить разрушение кварцевого тигля. Кварцевый тигель хорошо смачивается расплавленным кремнием и после охлаждения затвердевшие остатки кремния и тигель механически прочно скреплены друг с другом, а так как коэффициенты термического расширения кварца и кремния существенно различаются, то при охлаждении они разламывают друг друга. Следовательно, кварцевый тигель можно использовать для выращивания одного или нескольких кристаллов только в полунепрерывном процессе, а в периодическом — только один раз, что значительно увеличивает затраты на выращивание кристаллов кремния.
Основная задача изобретения заключается в сокращении затрат на выращивание кристаллов кремния за счет исключения разрушения кварцевых тиглей и увеличения кратности их использования, а также возможности вторичного использования остатков кремния при последующем периодическом процессе выращивания кристаллов.
Для решения поставленной задачи в способе выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского, включающем плавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи с последующим охлаждением и удалением остатков расплава кремния из тигля, удаление остатков расплава осуществляют путем создания перепада давления между камерами печи и резервуара-хранилища с одновременным перекачиванием остатков расплава кремния по трубке, один конец которой помещают в остаток расплава в тигле, а другой конец — в водоохлаждаемый резервуар-хранилище, при этом остаток расплава кремния, оставленный в кварцевом тигле, не должен превышать 10 мм.
Способ выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского включает расплавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи, с последующим охлаждением, причем сразу после выращивания кристалла осуществляют удаление остатка расплава кремния из тигля путем создания перепада давления между камерами печи и резервуаром-хранилищем с одновременным перекачиванием остатка расплава кремния по кварцевой трубке, один конец которой помещают в расплав остатка кремния в тигле, а другой — в водоохлаждаемый резервуар-хранилище.
По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие отличительные признаки: после выращивания кристалла удаляют остаток расплава кремния из тигля путем создания перепада давления между камерами печи и резервуаром-хранилищем с одновременным перекачиванием остатка расплава кремния с помощью кварцевой трубки, при этом остаток расплава кремния, оставленный в кварцевом тигле, не должен превышать 10 мм.
Перекачивание остатков расплава кремния из кварцевого тигля путем создания перепада давления в камерах печи и резервуаре-хранилище позволяет исключить разрушение кварцевого тигля и увеличить кратность его использования за счет того, что в очищенном от остатков кремния тигле не возникают термические напряжения между твердым кварцем и кремнием.
На чертеже представлено устройство для осуществления способа.
В кварцевый тигель 1, помещенный в камеру печи 2, загружают порцию кремния, расплавляют, после чего осуществляют выращивание кристалла кремния.
Затем в остаток расплава кремния в тигле помещают один конец кварцевой трубки 3 с помощью манипулятора, а другой конец в резервуар-хранилище 4, установленный в камере 5, соединенной с камерой печи 2 в единую систему через перегородку 6 по газовой среде. Создают перепад давления, вакуумируя камеру резервуар-хранилище или повышая давление в камере печи и одновременно перекачивают оставшийся расплав кремния из кварцевого тигля в резервуар-хранилище. Размер капли кремния, оставленный в кварцевом тигле не должен превышать 10 мм. Если размер капли будет более 10 мм, то образуются термические напряжения между твердым кварцем и кремнием, что ведет к растрескиванию тигля при охлаждении. После охлаждения из резервуара-хранилища, имеющего форму, близкую к форме кварцевого тигля, но меньших размеров, извлекают кремний в виде слитка, который после наружной протравки переносится в кварцевый тигель для последующего использования при выращивании кристаллов кремния.
Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить кратность использования кварцевого тигля для выращивания кристаллов кремния в периодическом процесс в 10 раз за счет исключения растрескивания тигля, а также сократить расход кремния за счет вторичного использования остатков кремния при последующем процессе выращивания кристаллов кремния и, как следствие, снизить затраты на производство кристаллов кремния.
Затраты при выращивании кристаллов кремния только на приобретение кварцевых тиглей в прототипе составляет более $ 80000 на одну установку в год (например, при загрузке 60 кг кремния используется кварцевый тигель диаметром 500 мм стоимостью $ 550, процесс выращивания идет около двух суток).
При десятикратном использовании тигля по предлагаемому способу годовая экономия составит более $ 7200 на одну установку.
Способ выращивания кристаллов кремния из кварцевого тигля по методу Чохральского, включающий плавление, выращивание кристалла кремния из расплава в камере печи с последующим охлаждением и удалением остатков расплава кремния из тигля, отличающийся тем, что удаление остатков расплава осуществляют путем создания перепада давления между камерами печи и резервуара-хранилища с одновременным перекачиванием остатков расплава кремния по трубке, один конец которой помещают в остаток расплава в тигле, а другой конец — в водоохлаждаемый резервуар-хранилище, при этом остаток расплава кремния, оставленный в кварцевом тигле, не должен превышать 10 мм.
Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов изотопнообогащенного кремния 28Si или 29 Si, или 30Si, который является перспективным материалом для изготовления элементов спиновой наноэлектроники, квантовых компьютеров, радиационностойких детекторов ионизирующих излучений.
Изобретение относится к области выращивания из расплава поликристаллических слоев кремния и может найти применение в производстве солнечных элементов (фотопреобразователей).
Изобретение относится к производству полупроводниковых материалов, в частности к получению исходного поликристаллического кремния осаждением на нагретые основы в процессе водородного восстановления хлорсиланов.
Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводниковых материалов. .
Изобретение относится к созданию кристаллизатора для кристаллизации поликристаллического кремния и к приготовлению и нанесению антиадгезионных покрытий для кристаллизаторов, которые используют для обработки расплавленных материалов, которые застывают в кристаллизаторе и затем извлекаются из него в виде слитков.
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к технологии выращивания профилированных монокристаллов кремния в виде полых тонкостенных цилиндров для изготовления эпитаксиальных цилиндрических (непланарных) структур мощных силовых полупроводниковых приборов.
Изобретение относится к области получения монокристаллов полупроводниковых материалов. .
Изобретение относится к технологии производства бездислокационных пластин полупроводникового кремния, вырезаемых из монокристаллов, выращиваемых методом Чохральского, и применяемых для изготовления интегральных схем и дискретных электронных приборов.
Изобретение относится к области технологии получения монокристаллического кремния методом выращивания из расплава. .
Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, преимущественно, при получении кристаллов веществ с температурой плавления, превышающей температуру размягчения кварца, например, при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского.
Изобретение относится к способам изготовления кварцевых контейнеров с защитным покрытием для синтеза и кристаллизации расплавов полупроводниковых материалов, а также для получения особо чистых металлов и полиметаллических сплавов.
Изобретение относится к технологии выращивания из расплавов объемных прямоугольных кристаллов сапфира с заданной кристаллографической ориентацией. .
Изобретение относится к технологии выращивания из расплавов объемных прямоугольных кристаллов сапфира с заданной кристаллографической ориентацией. .
Источник: findpatent.ru
«Выращивание кристаллов в домашних условиях»
Нас всегда поражала красота кристаллов. Мы всегда считали, что каждый из них по-своему прекрасен. Они, подобно росе, сверкают на солнце, завораживают красотой своих граней, глубиной цвета, сказочными переливами и игрой неповторимых красок. Мы очень рады, что можем создать нечто столь прекрасное и в то же время столь полезное и незаменимое.
Большинство окружающих нас твёрдых тел представляют собой тела в кристаллическом состоянии. Кристаллы встречаются повсюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в науке и технике, потребляем кристаллы в пищу, используем для лечения, находим кристаллы в живых организмах (молекулы ДНК) и т. п.
Эта тема нас заинтересовала, поэтому мы решили взяться за этот проект.
Цель: Научиться выращивать кристаллы в домашних условиях
1.Изучить литературу о кристаллах.
2.Собрать необходимое оборудование и материалы.
3. Изучить различные методики выращивания кристаллов некоторых веществ
- Применить полученные знания о свойствах кристаллов на практике
Глава 1. Что такое кристаллы?
Источник: kopilkaurokov.ru